Quando encontramos metais em nosso dia-a-dia, percebemos que eles são brilhantes. Isso ocorre porque os materiais metálicos comuns são refletivos em comprimentos de onda da luz visível e refletem qualquer luz que os atinja. Embora os metais sejam adequados para conduzir eletricidade e calor, eles normalmente não são considerados um meio de conduzir luz.
Mas no crescente campo de materiais quânticos, os pesquisadores estão encontrando cada vez mais exemplos que desafiam as expectativas sobre como as coisas devem se comportar. Em uma nova pesquisa publicada na Science Advances, uma equipe liderada por Dmitri Basov, Professor Higgins de Física da Universidade de Columbia, descreve um metal capaz de conduzir luz. “Esses resultados desafiam nossas experiências diárias e concepções comuns”, disse Basov.
O trabalho foi liderado por Yinming Shao, agora pós-doutorado em Columbia, que se transferiu como Ph.D. estudante quando Basov mudou seu laboratório da Universidade da Califórnia em San Diego para Nova York em 2016. Enquanto trabalhava com o grupo Basov, Shao vem explorando as propriedades ópticas de um material semimetal conhecido como ZrSiSe. Em 2020 na Nature Physics, Shao e seus colegas mostraram que o ZrSiSe compartilha semelhanças eletrônicas com o grafeno, o primeiro material chamado Dirac descoberto em 2004. O ZrSiSe, no entanto, aprimorou as correlações eletrônicas que são raras para os semimetais de Dirac.
Enquanto o grafeno é uma camada de carbono única e fina, o ZrSiSe é um cristal metálico tridimensional composto de camadas que se comportam de maneira diferente nas direções no plano e fora do plano, uma propriedade conhecida como anisotropia. “É como um sanduíche: uma camada age como um metal, enquanto a próxima age como um isolante”, explicou Shao. “Quando isso acontece, a luz começa a interagir de forma incomum com o metal em certas frequências. Em vez de apenas ricochetear, ela pode viajar dentro do material em um padrão em ziguezague, que chamamos de propagação hiperbólica.”
Em seu trabalho atual, Shao e seus colaboradores em Columbia e na Universidade da Califórnia, em San Diego, observaram esse movimento em ziguezague da luz, os chamados modos de guia de ondas hiperbólicos, através de amostras de ZrSiSe de espessuras variadas. Tais guias de onda podem guiar a luz através de um material e aqui resultam da mistura de fótons de luz com oscilações de elétrons para criar quase-partículas híbridas chamadas plasmons.
Embora as condições para gerar plasmons que podem se propagar hiperbolicamente sejam atendidas em muitos metais em camadas, é a faixa única de níveis de energia de elétrons, chamada estrutura de banda eletrônica, de ZrSiSe que permitiu à equipe observá-los neste material. O suporte teórico para ajudar a explicar esses resultados experimentais veio de Andrey Rikhter no grupo de Michael Fogler na UC San Diego, Umberto De Giovannini e Angel Rubio no Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, e Raquel Queiroz e Andrew Millis na Columbia. (Rubio e Millis também são afiliados ao Flatiron Institute da Simons Foundation)
Os plasmons podem “ampliar” características em uma amostra, permitindo que os pesquisadores vejam além do limite de difração dos microscópios ópticos, que não podem resolver detalhes menores do que o comprimento de onda da luz que eles usam. “Usando plasmons hiperbólicos, podemos resolver características de menos de 100 nanômetros usando luz infravermelha que é centenas de vezes mais longa”, disse Shao.
O ZrSiSe pode ser descascado em diferentes espessuras, tornando-se uma opção interessante para pesquisas em nano-óptica que favorecem materiais ultrafinos, disse Shao. Mas, provavelmente não é o único material valioso – a partir daqui, o grupo quer explorar outros que compartilhem semelhanças com o ZrSiSe, mas possam ter propriedades de guia de ondas ainda mais favoráveis. Isso poderia ajudar os pesquisadores a desenvolver chips ópticos mais eficientes e melhores abordagens de nano-óptica para explorar questões fundamentais sobre materiais quânticos.
“Queremos usar os modos de guia de ondas ópticos, como encontramos neste material e esperamos encontrar em outros, como repórteres de uma nova física interessante”, disse Basov.
Publicado em 02/11/2022 07h33
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