Diagramme de l'antimoniure de césium et de vanadium de Kagome montrant les ondes plasmoniques se déplaçant à travers le matériau. Crédit : Guangxin Ni
Une étude axée sur l'antimoniure de césium et de vanadium, un métal de Kagome, a montré son potentiel pour améliorer la nano-optique en générant des polaritons plasmoniques uniques. Ces résultats pourraient faire progresser les technologies de communication et de détection optiques.
Dans la vannerie traditionnelle japonaise, le motif ancien « Kagome », remarquable par sa disposition symétrique de triangles entrelacés aux angles communs, orne de nombreux objets artisanaux. De même, en physique quantique, les scientifiques utilisent le terme « Kagome » pour désigner une catégorie de matériaux dont les structures atomiques imitent ce motif de treillis unique.
Depuis 2019, année de la découverte de la dernière famille de métaux Kagome, les physiciens s'efforcent de mieux comprendre leurs propriétés et leurs applications potentielles. Une nouvelle étude menée par Université d'État de Floride (FSU) Le professeur adjoint de physique Guangxin Ni se concentre sur la façon dont un métal Kagome particulier interagit avec la lumière pour générer ce que l'on appelle des polaritons plasmoniques — échelle nanométrique-ondes liées au niveau des électrons et des champs électromagnétiques dans un matériau, généralement provoquées par la lumière ou d'autres ondes électromagnétiques. Le travail a été publié récemment dans la revue Nature Communications.
Propriétés et potentiel photonique du CsV3Sb5
Des recherches antérieures ont examiné les plasmons dans les métaux ordinaires, mais pas autant dans les métaux Kagome, où le comportement des électrons est plus complexe. Dans cette étude, les chercheurs de la FSU ont examiné l'antimoniure de césium vanadium, également connu sous sa formule chimique CsV3Sb5, pour mieux comprendre les propriétés qui en font un candidat prometteur pour des technologies photoniques plus précises et plus efficaces.
Les chercheurs ont identifié pour la première fois l’existence de plasmons dans CsV3Sb5 et ont découvert que la longueur d’onde de ces plasmons dépend de l’épaisseur du métal.
Hossein Shiravi, étudiant diplômé, Guangxin Ni, professeur adjoint, et Songbin Cui, chercheur postdoctoral. Crédit : Devin Bittner/FSU Arts and Sciences
Faire progresser la nano-optique avec les polaritons plasmoniques hyperboliques
Ils ont également découvert que le changement de fréquence d’un laser dirigé vers le métal entraînait un comportement différent des plasmons, les transformant en une forme connue sous le nom de « plasmons hyperboliques en volume », qui se propagent à travers le matériau plutôt que de rester confinés à la surface. En conséquence, ces ondes perdaient moins d’énergie qu’auparavant, ce qui signifie qu’elles pouvaient se propager plus efficacement.
« Les polaritons plasmoniques hyperboliques sont rares dans les métaux naturels, mais nos recherches révèlent comment les interactions électroniques peuvent créer ces ondes uniques à l’échelle nanométrique », a déclaré Ni. « Cette avancée est essentielle pour faire progresser les technologies de la nano-optique et de la nano-photonique. »
Méthodes de recherche et observations en nano-imagerie
Pour étudier la manière dont les plasmons interagissaient avec le métal, les chercheurs ont fait pousser des monocristaux de CsV3Sb5, puis ont placé de fines paillettes du matériau sur des surfaces d'or spécialement préparées. En utilisant des lasers pour réaliser une nano-imagerie infrarouge à balayage, ils ont observé comment les polaritons plasmoniques du métal (des ondes d'électrons interagissant avec des champs électromagnétiques) changeaient de manière intéressante.
« Ce qui rend le CsV3Sb5 intéressant, c'est la façon dont il interagit avec la lumière à très petite échelle, ce qu'on appelle la nano-optique », a déclaré l'auteur principal Hossein Shiravi, assistant de recherche diplômé au National High Magnetic Field Laboratory, basé à la FSU.« Nous avons découvert que sur une large gamme de fréquences de lumière infrarouge, les propriétés électriques corrélées au sein du métal déclenchaient la formation de plasmons hyperboliques en volume. »
Ce modèle hyperbolique signifie que moins d'énergie est perdue. Les résultats de l'équipe révèlent de nouvelles informations sur la façon dont le métal Kagome CsV3Sb5 se comporte dans diverses conditions, offrant aux chercheurs une image plus précise de ses propriétés et de ses applications potentielles dans le monde réel.
Applications potentielles et avenir des métaux de Kagome
« Les polaritons plasmoniques hyperboliques peuvent offrir une gamme de caractéristiques et de capacités nano-optiques étonnantes », a déclaré Ni. « Ils ont le potentiel d’améliorer les systèmes de communication optique, de permettre une imagerie ultra-nette au-delà des limites actuelles et d’améliorer le fonctionnement des dispositifs photoniques. Ils pourraient également être utiles pour détecter des choses comme les changements environnementaux et les diagnostics médicaux car ils réagissent fortement à leur environnement. Ces qualités en font un élément clé pour faire progresser les futures technologies optiques et photoniques. »
Le métal CsV3Sb5 était un choix prometteur pour la recherche sur les plasmons en raison de ses propriétés électroniques et optiques inhabituelles, comme sa capacité potentielle à forcer les ondes de plasmons à se déplacer dans une seule direction, pour n'en citer qu'une. Les récentes avancées dans la technologie d'imagerie à l'échelle nanométrique ont aidé les chercheurs à terminer leurs travaux.
« Les pertes électroniques généralement rencontrées dans les métaux conventionnels ont jusqu’à présent compliqué les efforts visant à observer les effets exotiques de couplage lumière-matière, notamment les polaritons hyperboliques », a déclaré Ni. « C’est en partie ce qui fait de cette percée une avancée passionnante. Il sera intéressant de continuer à explorer les phénomènes nano-optiques dans les métaux non conventionnels en raison de leur potentiel à contribuer aux technologies futures. »
Aakash Gupta, étudiant diplômé de la FSU, a également été co-auteur de cette étude. L'étude a été menée en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Californie à Santa Barbara, du Laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee, de l'Université Tsinghua en Chine, de l'Université de Stuttgart en Allemagne, de l'Université de Leipzig et de l'Institut de recherche sur la physique des faisceaux ioniques et les matériaux. À la FSU, cette recherche est soutenue par un financement du Département américain de l'énergie et de la National Science Foundation.
