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Conducción de la luz en un metal: Se observan guías de onda en un semimetal conocido como ZrSiSe. Crédito: Nicoletta Barolini, Universidad de Columbia
Los metales son medios plasmónicos canónicos en longitudes de onda infrarrojas y ópticas, que permiten guiar y manipular la luz a nanoescala. Los metales son excelentes para transferir el calor y la electricidad, pero no suelen considerarse un medio para conducir la luz.
Un nuevo estudio de la Universidad de Columbia informa sobre un metal que puede conducir la luz a través de él.
Los científicos han estado investigando las propiedades ópticas de un material semimetálico conocido como ZrSiSe. En 2020, descubrieron que el ZrSiSe comparte similitudes electrónicas con el grafeno. En el ZrSiSe existen correlaciones electrónicas mejoradas, poco comunes en los semimetales de Dirac.
A diferencia del grafeno, una única capa de carbono muy fina, el ZrSiSe es un cristal metálico tridimensional. Está formado por capas que se comportan de forma diferente en las direcciones dentro y fuera del plano. Esta propiedad se conoce como anisotropía.
Yinming Shao, ahora postdoctoral en Columbia, dijo: "Es como un sándwich: una capa actúa como un metal mientras que la siguiente capa actúa como un aislante. Cuando esto ocurre, la luz empieza a interactuar de forma inusual con el metal a determinadas frecuencias. En lugar de rebotar, puede viajar dentro del material en un patrón de zigzag, lo que llamamos propagación hiperbólica".
En este estudio, los científicos utilizaron muestras de ZrSiSe de distintos grosores para presenciar estos movimientos en zigzag de la luz o los llamados modos de guía de ondas hiperbólicas. Estas guías de onda, que son plasmones, se producen cuando los fotones de luz se combinan con las oscilaciones de los electrones para formar cuasipartículas híbridas que pueden dirigir la luz a través de un material.
Los científicos señalaron: "Es la gama única de niveles de energía de los electrones, llamada estructura de banda electrónica, del ZrSiSe lo que permitió al equipo observarlos en este material".
Los plasmones pueden "ampliar" las características de una muestra, lo que permite a los científicos ver más allá del límite de difracción de los microscopios ópticos, que de otro modo son incapaces de distinguir detalles más pequeños que la longitud de onda de la luz que utilizan.
Shao dijo: "Usando plasmones hiperbólicos, podríamos resolver características de menos de 100 nanómetros usando luz infrarroja que es cientos de veces más larga".
"El ZrSiSe puede pelarse hasta alcanzar diferentes grosores, lo que lo convierte en una opción interesante para la investigación en nanoóptica que favorece los materiales ultrafinos. Pero es probable que no sea el único material valioso: a partir de aquí, el grupo quiere explorar otros que compartan similitudes con el ZrSiSe pero que puedan tener propiedades de guía de ondas aún más favorables. Esto podría ayudarnos a desarrollar chips ópticos más eficientes y mejores enfoques nanoópticos para explorar cuestiones fundamentales sobre los materiales cuánticos".
Fuentes, creditos y referencias:
DOI: 10.1126/sciadv.add6169
Fuente: Universidad de Columbia