Les métaux, comme la plupart les connaissent, sont de bons conducteurs d'électricité. En effet, les innombrables électrons dans un métal comme l'or ou l'argent se déplacent plus ou moins librement d'un atome à l'autre, leur mouvement n'est pas entravé uniquement par des collisions occasionnelles avec des défauts du matériau.
Il existe cependant des matériaux métalliques en contradiction avec notre compréhension conventionnelle de ce que signifie être un métal. Dans les soi-disant «mauvais métaux» – un terme technique, explique le physicien de Columbia Dmitri Basov – les électrons ont frappé une résistance inattendue: les uns les autres. Au lieu que les électrons se comportent comme des boules individuelles qui rebondissent, elles deviennent corrélées les unes avec les autres, agglomérise pour que leur besoin de se déplacer plus collectivement entrave le flux d'un courant électrique.
Les mauvais métaux peuvent faire de mauvais conducteurs électriques, mais il s'avère qu'ils font de bons matériaux quantiques. En œuvre publiée le 13 février dans la revue ScienceLe groupe de Basov a observé des propriétés optiques inhabituelles de manière inattendue dans le dichlorure d'oxyde de molybdène méchant (MOOCL2).
Comme de nombreux matériaux avec lesquels des chercheurs de Columbia travaillent, Moocl2 est composé d'une série de couches minces d'atome d'éléments différents. Le matériau est également anisotrope, ce qui signifie que les propriétés de chaque couche diffèrent en fonction de la direction de la direction de la mesure.
« Essentiellement, le matériau est un métal si vous essayez de déplacer des électrons dans une direction, mais un isolant si vous essayez de les déplacer dans l'autre », a déclaré Andrew Millis, physicien de Columbia et du Flatiron Institute qui a fourni des informations théoriques sur les observations expérimentales avec Mark Van Schilfgaarde et Swagata Acharya du National Renewable Energy Laboratory à Colorado.
De cette direction unique, les quasiparticules connues sous le nom de polaritons plasmon hyperboliques émergent. Les polaritons sont une large catégorie de quasiparticules qui se forment lorsque des paquets de lumière appelés photons interagissent avec un matériau. Plus de 70 types uniques ont été décrits jusqu'à présent, chacun avec des propriétés hybrides uniques. Les plasmons, par exemple, sont un type de polariton qui se produit lorsque les photons se marient avec des électrons lorsqu'ils ondulent à travers un métal – une propriété quantique connue sous le nom d'oscillation électronique.
Parce qu'ils s'associent au monde quantique ultra-petit, les différentes variétés de polaritons permettent aux scientifiques de se concentrer sur les espaces plus petits que sa longueur d'onde, au-delà de la soi-disant limite de diffraction. Cela est prometteur de réduire un certain nombre de technologies optiques, notamment la création de nouveaux types de microscopes en super-résolution, la connexion des émetteurs quantiques et la construction de petits circuits optiques. Les plasmons hyperboliques, qui se déplacent à travers un matériau dans des motifs en forme d'hyperboles d'arc plutôt que les cercles concentriques caractéristiques d'autres polaritons, sont particulièrement bien adaptés à la tâche.
Un mauvais métal n'était pas le premier endroit que l'on penserait à chercher ces quasiparticules, étant donné à quel point les électrons de ces métaux se déplacent mal. Frank Ruta, Seas'24 et le premier auteur du journal actuel, avaient passé les premiers jours de son doctorat. Chasse des plasmons hyperboliques dans des échantillons de métaux avec une meilleure conductivité. D'autres types de plasmons se sont régulièrement révélés en « bons » métaux, comme l'or, mais les plasmons hyperboliques qui apparaissent dans ces matériaux se sont révélés éphémères – inscientifiquement intéressants, mais trop courts pour être utilisés dans les technologies émergentes.
De la littérature, cependant, le groupe a vu des indices que Moocl2 pourrait abriter des propriétés optiques uniques. Ruta a commencé à placer des échantillons sous le microscope optique à champ proche du laboratoire de Basov (Snom), et le mauvais métal s'est éclairé avec des plasmons hyperboliques.
Notamment, les quasiparticules pourraient se déplacer à travers plusieurs micromètres de l'échantillon à température ambiante et des fréquences d'éclairage visibles et presque infrarouges. De tels attributs pourraient rendre ces plasmons hyperboliques particulièrement précieux dans les technologies comme les télécommunications et la nanofabrication, qui fonctionnent à ces longueurs d'onde plus courtes.
Les mesures optiques suggèrent que les bons plasmons sont liés à l'énergie utilisée: lorsqu'elle est sondée avec une énergie plus faible, une lumière plus élevée de longueur d'onde, les électrons en moocl2 rebondir et disperser comme prévu; À mesure que l'énergie augmente, cette diffusion disparaît. Les collaborateurs expérimentaux de Berkeley en utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) ont offert une explication physique possible pour la diffusion: les ondes de densité de charge. Millis soupçonne que c'est une caractéristique de la physique particulière qui découle des interactions électron-électron uniques dans les mauvais métaux.
Bien que des explications théoriques complètes soient encore à venir, la réplication est déjà en cours: les chercheurs de l'Institut italien de technologie de Milan ont trouvé indépendamment des preuves de polaritons plasmon hyperboliques à Moocl2 à la fin de l'année dernière. Les résultats élargissent les options expérimentales pour ceux qui chassent les polaritons. « Cet article change nos intuitions sur les matériaux à regarder », a noté Ruta.
Les mauvais métaux pourraient ne pas être si mauvais après tout.
