Les physiciens voient des ondes lumineuses se déplacer à travers un métal

Lorsque nous rencontrons des métaux dans notre vie quotidienne, nous les percevons comme brillants. En effet, les matériaux métalliques courants sont réfléchissants aux longueurs d’onde de la lumière visible et renvoient toute lumière qui les frappe. Alors que les métaux sont bien adaptés pour conduire l’électricité et la chaleur, ils ne sont généralement pas considérés comme un moyen de conduire la lumière.

Mais dans le domaine en plein essor des matériaux quantiques, les chercheurs trouvent de plus en plus d’exemples qui remettent en question les attentes sur la façon dont les choses devraient se comporter. Dans une nouvelle recherche publiée dans Avancées scientifiques, une équipe dirigée par Dmitri Basov, professeur Higgins de physique à l’Université de Columbia, décrit un métal capable de conduire la lumière. « Ces résultats défient nos expériences quotidiennes et nos conceptions communes », a déclaré Basov.

Le travail a été dirigé par Yinming Shao, maintenant postdoctorant à Columbia qui a été transféré en tant que doctorat. étudiant lorsque Basov a déménagé son laboratoire de l’Université de Californie à San Diego à New York en 2016. Tout en travaillant avec le groupe Basov, Shao a exploré les propriétés optiques d’un matériau semi-métal connu sous le nom de ZrSiSe. En 2020 en Physique naturelleShao et ses collègues ont montré que ZrSiSe partage des similitudes électroniques avec le graphène, le premier matériau dit de Dirac découvert en 2004. ZrSiSe, cependant, a amélioré les corrélations électroniques qui sont rares pour les semi-métaux de Dirac.

Alors que le graphène est une couche de carbone unique et mince en atomes, ZrSiSe est un cristal métallique tridimensionnel composé de couches qui se comportent différemment dans les directions dans le plan et hors du plan, une propriété connue sous le nom d’anisotropie. « C’est un peu comme un sandwich : une couche agit comme un métal tandis que la couche suivante agit comme un isolant », a expliqué Shao. « Lorsque cela se produit, la lumière commence à interagir de manière inhabituelle avec le métal à certaines fréquences. Au lieu de simplement rebondir, elle peut se déplacer à l’intérieur du matériau selon un motif en zigzag, que nous appelons propagation hyperbolique. »

Dans leurs travaux actuels, Shao et ses collaborateurs de Columbia et de l’Université de Californie à San Diego ont observé un tel mouvement en zigzag de la lumière, appelé modes de guides d’ondes hyperboliques, à travers des échantillons de ZrSiSe d’épaisseurs variables. De tels guides d’ondes peuvent guider la lumière à travers un matériau et résultent ici de photons de lumière se mélangeant à des oscillations d’électrons pour créer des quasi-particules hybrides appelées plasmons.

Bien que les conditions pour générer des plasmons capables de se propager de manière hyperbolique soient réunies dans de nombreux métaux stratifiés, c’est la gamme unique de niveaux d’énergie électronique, appelée structure de bande électronique, de ZrSiSe qui a permis à l’équipe de les observer dans ce matériau. Le soutien théorique pour aider à expliquer ces résultats expérimentaux est venu d’Andrey Rikhter dans le groupe de Michael Fogler à l’UC San Diego, Umberto De Giovannini et Angel Rubio à l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, et Raquel Queiroz et Andrew Millis à Columbia. (Rubio et Millis sont également affiliés au Flatiron Institute de la Simons Foundation)

Les plasmons peuvent « agrandir » les caractéristiques d’un échantillon, permettant aux chercheurs de voir au-delà de la limite de diffraction des microscopes optiques, qui ne peuvent autrement résoudre les détails plus petits que la longueur d’onde de la lumière qu’ils utilisent. « En utilisant des plasmons hyperboliques, nous pourrions résoudre des caractéristiques inférieures à 100 nanomètres en utilisant une lumière infrarouge qui est des centaines de fois plus longue », a déclaré Shao.

ZrSiSe peut être pelé à différentes épaisseurs, ce qui en fait une option intéressante pour la recherche en nano-optique qui favorise les matériaux ultra-minces, a déclaré Shao. Mais ce n’est probablement pas le seul matériau à avoir de la valeur – à partir de là, le groupe souhaite en explorer d’autres qui partagent des similitudes avec ZrSiSe mais pourraient avoir des propriétés de guidage d’ondes encore plus favorables. Cela pourrait aider les chercheurs à développer des puces optiques plus efficaces et de meilleures approches nano-optiques pour explorer des questions fondamentales sur les matériaux quantiques.

« Nous voulons utiliser des modes de guides d’ondes optiques, comme nous l’avons trouvé dans ce matériau et espérons en trouver dans d’autres, en tant que reporters d’une nouvelle physique intéressante », a déclaré Basov.