الن نف -هدایت نور در یک فلز: موجبرها در یک نیمه فلزی به نام ZrSiSe مشاهده می شوند. اعتبار: نیکولتا بارولینی، دانشگاه کلمبیا
وقتی در زندگی روزمره خود با فلزات روبرو می شویم، آنها را درخشان می بینیم. این به این دلیل است که مواد فلزی معمولی در طول موج های نور مرئی منعکس می شوند و هر نوری را که به آنها برخورد کند، منعکس می کنند. در حالی که فلزات برای هدایت الکتریسیته و گرما مناسب هستند، معمولاً به عنوان وسیله ای برای هدایت نور در نظر گرفته نمی شوند.
اما در زمینه رو به رشد مواد کوانتومی، محققان به طور فزاینده‌ای نمونه‌هایی را پیدا می‌کنند که انتظارات در مورد نحوه رفتار چیزها را به چالش می‌کشند. در تحقیقات جدید منتشر شده در Science Advances، تیمی به رهبری دیمیتری باسوف، استاد فیزیک هیگینز در دانشگاه کلمبیا، فلزی را توصیف می‌کند که قادر به هدایت نور است. باسف گفت: این نتایج تجربیات روزانه و تصورات رایج ما را به چالش می کشد.
این کار توسط یین‌مینگ شائو، که اکنون یک دکترای فوق‌دکتری در کلمبیا است و به‌عنوان دکترا منتقل شده، رهبری می‌شود. زمانی که باسوف آزمایشگاه خود را در سال 2016 از دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو به نیویورک منتقل کرد. شائو در حین کار با گروه باسوف، در حال بررسی خواص نوری یک ماده نیمه فلزی به نام ZrSiSe بوده است. در سال 2020 در Nature Physics، شائو و همکارانش نشان دادند که ZrSiSe شباهت های الکترونیکی با گرافن دارد، اولین ماده به اصطلاح دیراک که در سال 2004 کشف شد. با این حال، ZrSiSe همبستگی های الکترونیکی را افزایش داده است که برای نیمه فلزات دیراک نادر است.
در حالی که گرافن یک لایه کربن منفرد و نازک به اندازه اتم است، ZrSiSe یک کریستال فلزی سه بعدی است که از لایه‌هایی تشکیل شده است که در جهت درون صفحه و خارج از صفحه رفتار متفاوتی دارند، این ویژگی به نام ناهمسانگردی شناخته می‌شود. شائو توضیح داد: “این نوعی مانند یک ساندویچ است: یک لایه مانند یک فلز عمل می کند در حالی که لایه بعدی مانند یک عایق عمل می کند.” وقتی این اتفاق می‌افتد، نور در فرکانس‌های خاصی شروع به برهمکنش غیرعادی با فلز می‌کند. به‌جای اینکه فقط بپرد، می‌تواند در یک الگوی زیگزاگی در داخل ماده حرکت کند که ما آن را انتشار هذلولی می‌نامیم.
در کار فعلی خود، شائو و همکارانش در کلمبیا و دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو، چنین حرکت زیگزاگی نور، به اصطلاح حالت های هدایت موج هذلولی را از طریق نمونه های ZrSiSe با ضخامت های مختلف مشاهده کردند. چنین موجبرهایی می‌توانند نور را از طریق یک ماده هدایت کنند و در اینجا از ترکیب فوتون‌های نور با نوسانات الکترون برای ایجاد شبه ذرات هیبریدی به نام پلاسمون حاصل می‌شوند.
اگرچه شرایط تولید پلاسمون هایی که می توانند به صورت هذلولی منتشر شوند در بسیاری از فلزات لایه ای برآورده می شود، این محدوده منحصر به فرد سطوح انرژی الکترون، به نام ساختار نوار الکترونیکی ZrSiSe است که به تیم اجازه داد تا آنها را در این ماده مشاهده کنند. پشتیبانی نظری برای کمک به توضیح این نتایج تجربی از طرف آندری ریختر در گروه مایکل فوگلر در دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو، اومبرتو دی جووانینی و آنجل روبیو در موسسه ماکس پلانک برای ساختار و دینامیک ماده، و راکل کی‌روش و اندرو میلیس در کلمبیا ارائه شد. روبیو و میلیس همچنین به موسسه Flatiron بنیاد سیمونز وابسته هستند.
پلاسمون‌ها می‌توانند ویژگی‌های یک نمونه را «بزرگ‌نمایی» کنند و به محققان این امکان را می‌دهند که فراتر از حد پراش میکروسکوپ‌های نوری را ببینند، که در غیر این صورت نمی‌توانند جزئیات کوچک‌تر از طول موج نوری که استفاده می‌کنند را شناسایی کنند. شائو می‌گوید: «با استفاده از پلاسمون‌های هذلولی، می‌توانیم ویژگی‌های کمتر از 100 نانومتر را با استفاده از نور فروسرخ که صدها برابر طولانی‌تر است، حل کنیم.
به گفته Shao، ZrSiSe را می‌توان به ضخامت‌های مختلف در آورد و آن را به گزینه‌ای جالب برای تحقیقات نانواپتیکی تبدیل می‌کند که به نفع مواد فوق‌العاده نازک است. اما، احتمالاً این تنها ماده ارزشمند نیست – از اینجا، گروه می‌خواهد مواد دیگری را که شباهت‌هایی با ZrSiSe دارند، اما ممکن است ویژگی‌های هدایت موج مطلوب‌تری داشته باشند، کشف کند. این می تواند به محققان کمک کند تا تراشه های نوری کارآمدتر و رویکردهای نانو اپتیکی بهتری را برای کشف سؤالات اساسی در مورد مواد کوانتومی توسعه دهند.
باسوف گفت: «ما می‌خواهیم از حالت‌های موجبر نوری استفاده کنیم، مانند آنچه در این مواد پیدا کرده‌ایم و امیدواریم در موارد دیگر به‌عنوان گزارشگران فیزیک جدید جالب استفاده کنیم».
