物理学家看到光波穿过金属

当我们在日常生活中遇到金属时，我们会认为它们是有光泽的。这是因为常见的金属材料在可见光波长下具有反射性，并且会反弹任何照射到它们的光。虽然金属非常适合导电和导热，但它们通常不被认为是一种传导光的手段。

但在新兴的量子材料领域，研究人员越来越多地发现挑战人们对事物应该如何表现的期望的例子。在发表在《科学进展》上的一项新研究中，由哥伦比亚大学希金斯物理学教授DmitriBasov领导的一个团队描述了一种能够传导光的金属。“这些结果违背了我们的日常经验和普遍观念，”巴索夫说。

这项工作由邵寅铭领导，他现在是哥伦比亚大学的博士后，并以博士学位的身份转移。2016年，当Basov将他的实验室从加州大学圣地亚哥分校搬到纽约时，他是一名学生。在与Basov小组合作期间，Shao一直在探索一种名为ZrSiSe的半金属材料的光学特性。在2020年的NaturePhysics中，Shao和他的同事表明ZrSiSe与石墨烯具有电子相似性，这是2004年发现的第一种所谓的狄拉克材料。然而，ZrSiSe增强了狄拉克半金属所罕见的电子相关性。

石墨烯是单层原子薄的碳层，而ZrSiSe是由在面内和面外方向上表现不同的层组成的三维金属晶体，这种特性称为各向异性。“这有点像三明治：一层像金属，而下一层像绝缘体，”邵解释道。“当这种情况发生时，光开始以某些频率与金属发生异常的相互作用。它不仅可以反弹，还可以以锯齿形图案在材料内部传播，我们称之为双曲线传播。”

在他们目前的工作中，Shao和他在哥伦比亚大学和加利福尼亚大学圣地亚哥分校的合作者通过不同厚度的ZrSiSe样品观察到光的这种曲折运动，即所谓的双曲线波导模式。这种波导可以引导光通过一种材料，在这里，光的光子与电子振荡混合产生称为等离子体的混合准粒子。

尽管在许多层状金属中都满足产生可以双曲线传播的等离子体的条件，但正是ZrSiSe的独特的电子能级范围，称为电子能带结构，使团队能够在这种材料中观察它们。帮助解释这些实验结果的理论支持来自加州大学圣地亚哥分校MichaelFogler小组的AndreyRikhter、马克斯普朗克物质结构和动力学研究所的UmbertoDeGiovannini和AngelRubio，以及哥伦比亚大学的RaquelQueiroz和AndrewMillis。(卢比奥和米利斯也隶属于西蒙斯基金会的熨斗研究所)

等离激元可以“放大”样品中的特征，使研究人员能够超越光学显微镜的衍射极限，否则无法解析小于其使用的光波长的细节。“使用双曲等离子体，我们可以使用长数百倍的红外光来解析小于100纳米的特征，”Shao说。

邵说，ZrSiSe可以剥离成不同的厚度，使其成为有利于超薄材料的纳米光学研究的有趣选择。但是，它可能不是唯一有价值的材料——从这里开始，该小组希望探索与ZrSiSe有相似之处但可能具有更有利的波导特性的其他材料。这可以帮助研究人员开发更高效的光学芯片和更好的纳米光学方法来探索有关量子材料的基本问题。

“我们希望使用光波导模式，就像我们在这种材料中发现的那样，并希望在其他材料中发现，作为有趣的新物理学的记者，”巴索夫说。