Procurando por partículas quânticas indescritíveis? Experimente um steel ruim, os pesquisadores sugerem

Os metais, como a maioria os conhecem, são bons condutores de eletricidade. Isso ocorre porque os inúmeros elétrons em um steel como ouro ou prata se movem mais ou menos livremente de um átomo para o outro, seu movimento impedido apenas por colisões ocasionais com defeitos no materials.

No entanto, existem materiais metálicos em desacordo com a nossa compreensão convencional do que significa ser um steel. No chamado “metais ruins”-um termo técnico, explica o físico da Columbia Dmitri Basov-os elétrons atingem a resistência inesperada: um ao outro. Em vez de os elétrons se comportarem como bolas individuais, elas se correlacionam, se agrupando para que sua necessidade de mover mais coletivamente o fluxo de uma corrente elétrica.

Os metais ruins podem proporcionar condutores elétricos ruins, mas acontece que eles produzem bons materiais quânticos. No trabalho publicado em 13 de fevereiro na revista CiênciaO grupo de Basov observou inesperadamente propriedades ópticas incomuns no dicorto de óxido de molibdênio de steel ruim (Moocl₂).

Como muitos materiais com os quais os pesquisadores da Columbia trabalham, Moocl₂ é composto por uma série de camadas finas de átomos de diferentes elementos. O materials também é anisotrópico, o que significa que as propriedades de cada camada diferirão dependendo de qual direção a qual o materials está sendo medido.

“Essencialmente, o materials é um steel se você tentar mover elétrons em uma direção, mas um isolador se você tentar movê -los no outro”, disse Andrew Millis, físico de Columbia e do Instituto Flatiron que forneceu insights teóricos sobre o Observações experimentais Juntamente com Mark Van Schilfgaarde e Swagata Acharya, do Laboratório Nacional de Energia Renovável no Colorado.

A partir dessa direcionalidade única, surgem as quasipartículas conhecidas como polaritons hiperbólicos de plasmon. Os polaritons são uma ampla categoria de quasipartículas que se formam quando pacotes de luz chamados fótons interagem com um materials. Mais de 70 tipos únicos foram descrito até agoracada um com propriedades únicas e híbridas. Os plasmons, por exemplo, são um tipo de polariton que ocorre quando os fótons combinam com elétrons enquanto ondulam através de um steel – uma propriedade quântica conhecida como oscilação eletrônica.

Como eles combinam com o mundo quântico ultra-pequeno, as várias variedades de polaritons permitem que os cientistas concentrem a luz em espaços menores que seu comprimento de onda, além do chamado limite de difração. Isso é prometido para diminuir várias tecnologias ópticas, incluindo a criação de novos tipos de microscópios de super-resolução, conectando emissores quânticos e criação de circuitos ópticos menores. Os plasmons hiperbólicos, que se movem através de um materials em padrões em forma de hiperbolas arçadores, em vez dos círculos concêntricos característicos de outros polaritons, são particularmente adequados para a tarefa.

Um steel ruim não foi o primeiro lugar que se pensaria em procurar essas quase -aspartículas, dado que o pior dos elétrons desses metais se transfer. Frank Ruta, Seas’24 e o primeiro autor do artigo atual, passou os primeiros dias de seu doutorado. Caçando plasmons hiperbólicos em amostras de metais com melhor condutividade. Outros tipos de plasmons apareciam regularmente em metais “bons”, como o ouro, mas os plasmons hiperbólicos que aparecem nesses materiais se mostraram fugazes-cientificamente interessantes, mas de curta duração para serem de uso prático em tecnologias emergentes.

Da literatura, porém, o grupo viu dicas que o moocl₂ pode abrigar propriedades ópticas únicas. Ruta começou a colocar amostras sob o microscópio óptico de digitalização de campo próximo do Basov Lab (Snom), e o steel ruim iluminado com plasmons hiperbólicos.

Notavelmente, as quasipartículas podem se mover através de vários micrômetros da amostra à temperatura ambiente e frequências de luz visíveis e do infravermelho próximo. Tais atributos podem tornar esses plasmons hiperbólicos especialmente valiosos em tecnologias como telecomunicações e nanofabricação, que operam nesses comprimentos de onda mais curtos.

As medições ópticas sugerem que esses bons plasmons estão relacionados à energia usada: quando sondado com menor energia, maior luz de comprimento de onda, os elétrons em moocl₂ saltar e se espalhar conforme o esperado; À medida que a energia aumenta, essa dispersão desaparece. Colaboradores experimentais em Berkeley usando uma técnica chamada Espectroscopia de fotoemissão resolvida por ângulo (ARPES) ofereceu uma possível explicação física para a dispersão: ondas de densidade de carga. Millis suspeita que é uma característica da física peculiar que surge das interações eletrônicas-elétrons exclusivas em metais ruins.

Embora as explicações teóricas completas ainda estejam por vir, a replicação já está em andamento: pesquisadores do Instituto de Tecnologia italiano em Milão independentemente encontrou evidências de hiperbólico Plasmon Polaritons em Moocl₂ no last do ano passado. Os resultados ampliam as opções experimentais para aqueles que caçam polaritons. “Este artigo altera nossas intuições sobre quais materiais analisar”, observou Ruta.

Os metais ruins podem não ser tão ruins, afinal.