Physiker sehen Lichtwellen, die sich durch ein Metall bewegen

Wenn uns Metalle in unserem täglichen Leben begegnen, nehmen wir sie als glänzend wahr. Das liegt daran, dass übliche metallische Materialien bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts reflektieren und jedes Licht, das auf sie trifft, zurückprallen lassen. Während Metalle gut geeignet sind, Strom und Wärme zu leiten, werden sie normalerweise nicht als Lichtleiter angesehen.

Aber auf dem aufkeimenden Gebiet der Quantenmaterialien finden Forscher zunehmend Beispiele, die die Erwartungen darüber, wie sich die Dinge verhalten sollten, in Frage stellen. In neuen Forschungsergebnissen, veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte, ein Team unter der Leitung von Dmitri Basov, Higgins-Professor für Physik an der Columbia University, beschreibt ein Metall, das Licht leiten kann. „Diese Ergebnisse widersprechen unseren täglichen Erfahrungen und gängigen Vorstellungen“, sagte Basov.

Die Arbeit wurde von Yinming Shao geleitet, jetzt Postdoc an der Columbia, der als Ph.D. Student, als Basov 2016 sein Labor von der University of California San Diego nach New York verlegte. Während seiner Arbeit mit der Basov-Gruppe hat Shao die optischen Eigenschaften eines Halbmetallmaterials namens ZrSiSe untersucht. 2020 im Naturphysikzeigten Shao und seine Kollegen, dass ZrSiSe elektronische Ähnlichkeiten mit Graphen aufweist, dem ersten sogenannten Dirac-Material, das 2004 entdeckt wurde. ZrSiSe weist jedoch verbesserte elektronische Korrelationen auf, die für Dirac-Halbmetalle selten sind.

Während Graphen eine einzelne, atomdünne Kohlenstoffschicht ist, ist ZrSiSe ein dreidimensionaler metallischer Kristall, der aus Schichten besteht, die sich in der Ebene und außerhalb der Ebene unterschiedlich verhalten, eine Eigenschaft, die als Anisotropie bekannt ist. „Es ist wie ein Sandwich: Eine Schicht wirkt wie ein Metall, während die nächste Schicht wie ein Isolator wirkt“, erklärt Shao. „Wenn das passiert, beginnt Licht bei bestimmten Frequenzen ungewöhnlich mit dem Metall zu interagieren. Anstatt nur abzuprallen, kann es sich in einem Zickzackmuster im Material fortbewegen, was wir als hyperbolische Ausbreitung bezeichnen.“

In ihrer aktuellen Arbeit beobachteten Shao und seine Mitarbeiter an der Columbia und der University of California, San Diego, solche Zickzackbewegungen von Licht, sogenannte hyperbolische Wellenleitermoden, durch ZrSiSe-Proben unterschiedlicher Dicke. Solche Wellenleiter können Licht durch ein Material leiten und resultieren hier aus Lichtphotonen, die sich mit Elektronenschwingungen mischen, um hybride Quasiteilchen, sogenannte Plasmonen, zu erzeugen.

Obwohl die Bedingungen zur Erzeugung von Plasmonen, die sich hyperbolisch ausbreiten können, in vielen geschichteten Metallen erfüllt sind, ist es der einzigartige Bereich von Elektronenenergieniveaus, genannt elektronische Bandstruktur, von ZrSiSe, der es dem Team ermöglichte, sie in diesem Material zu beobachten. Theoretische Unterstützung zur Erklärung dieser experimentellen Ergebnisse kam von Andrey Rikhter in der Gruppe von Michael Fogler an der UC San Diego, Umberto De Giovannini und Angel Rubio am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie sowie Raquel Queiroz und Andrew Millis von Columbia. (Rubio und Millis sind auch mit dem Flatiron Institute der Simons Foundation verbunden)

Plasmonen können Merkmale in einer Probe „vergrößern“, sodass Forscher über die Beugungsgrenze optischer Mikroskope hinaussehen können, die ansonsten keine Details auflösen können, die kleiner als die von ihnen verwendete Lichtwellenlänge sind. „Mit hyperbolischen Plasmonen konnten wir Merkmale von weniger als 100 Nanometern mit Infrarotlicht auflösen, das hundertmal länger ist“, sagte Shao.

ZrSiSe kann auf verschiedene Dicken abgezogen werden, was es zu einer interessanten Option für die Nanooptikforschung macht, die ultradünne Materialien bevorzugt, sagte Shao. Aber es ist wahrscheinlich nicht das einzige Material, das wertvoll ist – von hier aus möchte die Gruppe andere erforschen, die Ähnlichkeiten mit ZrSiSe aufweisen, aber möglicherweise noch günstigere Wellenleitereigenschaften haben. Das könnte Forschern helfen, effizientere optische Chips und bessere Nanooptik-Ansätze zu entwickeln, um grundlegende Fragen zu Quantenmaterialien zu untersuchen.

„Wir wollen optische Wellenleitermoden verwenden, wie wir sie in diesem Material gefunden haben und hoffen, sie in anderen zu finden, als Berichterstatter interessanter neuer Physik“, sagte Basov.