金属中的光传导：在称为 ZrSiSe 的半金属中观察到波导。图片来源：哥伦比亚大学 Nicoletta Barolini新的研究发现了在独特的量子材料中存在波导的证据。这些发现与对金属如何传
金属中的光传导：在称为 ZrSiSe 的半金属中观察到波导。图片来源：哥伦比亚大学 Nicoletta Barolini
新的研究发现了在独特的量子材料中存在波导的证据。这些发现与对金属如何传导光的预期背道而驰，并可能使成像超出光学衍射极限。
当我们在日常生活中遇到金属时，我们会认为金属是有光泽的。这是因为普通金属材料在可见光波长下是反射的，因此会反弹照射到它们的光。虽然金属非常适合导电和导热，但它们通常不被认为是光导的手段。
然而，科学家们越来越多地发现一些例子，挑战人们对事物在新兴的量子材料领域应该如何表现的期望。新的研究描述了一种能够通过它传导光的金属。该研究由哥伦比亚大学希金斯物理学教授德米特里·巴索夫（Dmitri Basov）领导的一组研究人员进行，于10月26日发表在《科学进展》上。“这些结果违背了我们的日常经验和共同观念，”巴索夫说。
“使用双曲等离激元，我们可以使用长数百倍的红外光解析小于100纳米的特征。
——邵银明
这项工作由Yinming Shao领导，他现在是哥伦比亚大学的博士后，当Basov于2016年将他的实验室从加州大学圣地亚哥分校（UCSD）搬到纽约时，他转为博士生。在与巴索夫小组合作期间，Shao一直在探索一种称为ZrSiSe的半金属材料的光学特性。2020年，在《自然物理学》上，Shao和他的同事表明，ZrSiSe与石墨烯具有电子相似性，石墨烯是2004年发现的第一个所谓的狄拉克材料。然而，ZrSiSe增强了狄拉克半金属罕见的电子相关性。
石墨烯是单个原子薄的碳层，而ZrSiSe是由在面内和面外方向表现不同的层组成的三维金属晶体。这是一个称为各向异性的属性。
“我们希望使用光波导模式，就像我们在这种材料中发现的那样，并希望在其他材料中找到，作为有趣的新物理学的记者。
——德米特里·巴索夫
“这有点像三明治：一层就像金属，而下一层就像绝缘体，”Shao解释说。当这种情况发生时，光开始以某些频率与金属发生异常相互作用。它不仅仅是反弹，还可以以锯齿形模式在材料内部传播，我们称之为双曲线传播。
在他们目前的工作中，Shao和他在哥伦比亚大学和UCSD的合作者通过不同厚度的ZrSiSe样品观察到这种光的锯齿形运动，即所谓的双曲波导模式。这种波导可以引导光线穿过材料。在这里，它们由光子与电子振荡混合产生称为等离激元的混合准粒子。
尽管在许多层状金属中满足了产生可以双曲线传播的等离激元的条件，但ZrSiSe独特的电子能级范围（称为电子能带结构）使团队能够在这种材料中观察它们。帮助解释这些实验结果的理论支持来自UCSD的Michael Fogler小组的Andrey Rikhter，马克斯普朗克物质结构和动力学研究所的Umberto De Giovannini和Angel Rubio，以及哥伦比亚大学的Raquel Queiroz和Andrew Millis。（卢比奥和米利斯也隶属于西蒙斯基金会的熨斗研究所。
“这些结果违背了我们的日常经验和共同观念。
——德米特里·巴索夫
等离激元可以“放大”样品中的特征，使研究人员能够超越光学显微镜的衍射极限，否则光学显微镜无法分辨小于他们使用的光波长的细节。“使用双曲等离激元，我们可以使用长数百倍的红外光解析小于100纳米的特征，”Shao说。
Shao说，ZrSiSe可以剥离成不同的厚度，使其成为有利于超薄材料的纳米光学研究的有趣选择。然而，它可能不是唯一有价值的材料 - 从这里开始，该小组希望探索其他与ZrSiSe有相似之处但可能具有更有利的波导特性的材料。这可以帮助研究人员开发更高效的光学芯片，以及更好的纳米光学方法来探索有关量子材料的基本问题。
“我们希望使用光波导模式，就像我们在这种材料中发现的那样，并希望在其他材料中找到，作为有趣的新物理学的记者，”巴索夫说。
这项工作得到了Vannevar Bush教师奖学金和哥伦比亚大学能源部资助的可编程量子材料能源前沿研究中心的支持，该中心旨在发现可以揭示基础物理学新细节的新材料和工具。
参考文献：“红外等离激元通过双曲节点金属传播”，作者：邵银明、亚伦·斯特恩巴赫、布莱恩·金、安德烈·里赫特、徐欣怡、翁贝托·德·乔瓦尼尼、冉静、相勋宰、孙志远、李成发、朱杨林、毛志强、詹姆斯·霍内、拉奎尔·奎罗斯、安德鲁·米利斯、P·詹姆斯·舒克、安吉尔·卢比奥、迈克尔·福格勒和德米特里·巴索夫， 2022年10月26日，科学进展。
DOI： 10.1126/sciadv.add6169