Физики Колумбийского университета совершили прорыв в области квантовых материалов, обнаружив необычные оптические свойства в дихлориде оксида молибдена (MoOCl₂). Исследование, опубликованное в журнале Science 13 февраля, демонстрирует, что так называемые «плохие металлы» могут быть ключом к обнаружению редких квантовых частиц.
В отличие от обычных металлов, где электроны движутся свободно и встречают сопротивление только из-за дефектов материала, в «плохих металлах» электроны сопротивляются друг другу, становятся коррелированными и группируются вместе. Это делает их плохими электрическими проводниками, но превосходными квантовыми материалами с уникальными свойствами.
MoOCl₂ представляет собой анизотропный материал, состоящий из атомно-тонких слоев различных элементов. Его особенность заключается в том, что он ведет себя как металл в одном направлении и как изолятор в другом. Именно эта направленная природа материала привела к появлению гиперболических плазмонных поляритонов — особых квазичастиц с необычными свойствами.
Поляритоны — это квазичастицы, образующиеся при взаимодействии фотонов с материалами. Существует более 70 типов поляритонов, и плазмоны являются одним из них, возникая, когда фотоны объединяются с электронами в металлах. Особенность гиперболических плазмонов заключается в том, что они движутся по гиперболическим траекториям, а не по концентрическим кругам, как обычные плазмоны.
«Эти квазичастицы могут перемещаться на несколько микрометров по образцу при комнатной температуре и функционировать на частотах видимого и ближнего инфракрасного света», — объясняет Дмитрий Басов, физик Колумбийского университета, руководивший исследованием. Такие свойства открывают потенциальные применения в телекоммуникациях и нанопроизводстве, позволяя фокусировать свет за пределами дифракционного предела.
Исследовательская группа использовала сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (s-SNOM) для изучения свойств материала. Их выводы были подтверждены коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, которые применили метод фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Независимое подтверждение результатов также пришло от исследователей Итальянского технологического института в Милане.
Франк Рута (SEAS'24), первый автор статьи, отмечает важность этого открытия для будущих исследований. Эндрю Миллис, физик из Колумбийского университета и Института Флэтайрон, подчеркивает, что «плохие металлы» могут быть ценными для квантовых приложений, несмотря на их низкую проводимость.
Марк ван Шилфгаарде и Свагата Ачарья из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Колорадо также внесли значительный вклад в теоретическое понимание наблюдаемых явлений. Их работа помогла объяснить, почему именно в «плохих металлах» могут возникать такие необычные квантовые частицы.
Это открытие меняет интуитивные представления исследователей о том, какие материалы следует изучать для обнаружения поляритонов, и открывает новые перспективы в области квантовых материалов и нанофотоники.
Изображение носит иллюстративный характер
В отличие от обычных металлов, где электроны движутся свободно и встречают сопротивление только из-за дефектов материала, в «плохих металлах» электроны сопротивляются друг другу, становятся коррелированными и группируются вместе. Это делает их плохими электрическими проводниками, но превосходными квантовыми материалами с уникальными свойствами.
MoOCl₂ представляет собой анизотропный материал, состоящий из атомно-тонких слоев различных элементов. Его особенность заключается в том, что он ведет себя как металл в одном направлении и как изолятор в другом. Именно эта направленная природа материала привела к появлению гиперболических плазмонных поляритонов — особых квазичастиц с необычными свойствами.
Поляритоны — это квазичастицы, образующиеся при взаимодействии фотонов с материалами. Существует более 70 типов поляритонов, и плазмоны являются одним из них, возникая, когда фотоны объединяются с электронами в металлах. Особенность гиперболических плазмонов заключается в том, что они движутся по гиперболическим траекториям, а не по концентрическим кругам, как обычные плазмоны.
«Эти квазичастицы могут перемещаться на несколько микрометров по образцу при комнатной температуре и функционировать на частотах видимого и ближнего инфракрасного света», — объясняет Дмитрий Басов, физик Колумбийского университета, руководивший исследованием. Такие свойства открывают потенциальные применения в телекоммуникациях и нанопроизводстве, позволяя фокусировать свет за пределами дифракционного предела.
Исследовательская группа использовала сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (s-SNOM) для изучения свойств материала. Их выводы были подтверждены коллегами из Калифорнийского университета в Беркли, которые применили метод фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES). Независимое подтверждение результатов также пришло от исследователей Итальянского технологического института в Милане.
Франк Рута (SEAS'24), первый автор статьи, отмечает важность этого открытия для будущих исследований. Эндрю Миллис, физик из Колумбийского университета и Института Флэтайрон, подчеркивает, что «плохие металлы» могут быть ценными для квантовых приложений, несмотря на их низкую проводимость.
Марк ван Шилфгаарде и Свагата Ачарья из Национальной лаборатории возобновляемой энергии в Колорадо также внесли значительный вклад в теоретическое понимание наблюдаемых явлений. Их работа помогла объяснить, почему именно в «плохих металлах» могут возникать такие необычные квантовые частицы.
Это открытие меняет интуитивные представления исследователей о том, какие материалы следует изучать для обнаружения поляритонов, и открывает новые перспективы в области квантовых материалов и нанофотоники.
