En el tejido de cestas tradicional japonés, el antiguo diseño “kagome” que se ve en muchas creaciones artesanales se caracteriza por un patrón simétrico de triángulos entrelazados con esquinas compartidas. En física cuántica, los científicos han tomado prestado el nombre kagome para describir una clase de materiales que se parecen mucho a este patrón reticular distintivo con una estructura atómica.
Desde el descubrimiento de la última familia de metales kagome en 2019, los físicos han estado trabajando para comprender mejor sus propiedades y posibles aplicaciones. Un nuevo estudio dirigido por Guangxin Ni, profesor asistente de física en la Universidad Estatal de Florida, se centra en cómo un metal kagome en particular interactúa con la luz, conocido como polaritones de plasmón: ondas de electrones y campos electromagnéticos vinculados a nivel nanoescalar, típicamente generados. por la luz u otras ondas electromagnéticas. El trabajo fue publicado. Comunicarse con la naturaleza.
Investigaciones anteriores han examinado los plasmones en metales normales, pero no tanto en metales kagome, donde el comportamiento de los electrones es más complejo. En este estudio, investigadores de la FSU examinaron el antimonuro metálico de cesio y vanadio, también conocido por su fórmula química CsV3Sb5, para comprender mejor las propiedades que lo convierten en un candidato prometedor para tecnologías fotónicas más precisas y eficientes.
Los investigadores detectaron por primera vez la existencia de plasmones en CsV3Sb5 y comprobaron que la longitud de onda de ese plasmón depende del espesor del metal.
También descubrieron que cambiar la frecuencia del láser que brilla sobre el metal hace que los plasmones se comporten de manera diferente, convirtiéndolos en una forma conocida como “plasmones hiperbólicos en masa” que se propagan a través del material en lugar de limitarse a la superficie. Como resultado, estas ondas pierden menos energía que antes, lo que significa que pueden viajar de manera más eficiente.
“Los polaritones de plasmón hiperbólicos son raros en los metales naturales, pero nuestra investigación revela cómo las interacciones de los electrones pueden crear estas ondas únicas a nanoescala”, dijo Nie. “Este avance es clave para el avance de la tecnología en nanoóptica y nanofotónica”.
Para explorar cómo interactúan los plasmones con los metales, los investigadores cultivaron cristales individuales de CsV3Sb5 y luego colocaron finas escamas del material sobre una superficie de oro especialmente preparada. Utilizando láseres para realizar escaneos de nanoimágenes infrarrojas, observaron cómo los polaritones del plasmón del metal (ondas de electrones que interactúan con campos electromagnéticos) cambian de maneras interesantes.
“Lo que hace que CsV3Sb5 sea interesante es cómo interactúa con la luz a una escala muy pequeña, conocida como nanoóptica”, dijo el autor principal Hossein Shirawi, asistente de investigación graduado en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la FSU. “Descubrimos que en una amplia gama de frecuencias de luz infrarroja, las propiedades eléctricas correlacionadas en los metales desencadenan la formación de plasmones masivos hiperbólicos”.
Ese patrón hiperbólico significa que se desperdicia menos energía. Los hallazgos del equipo revelan nueva información sobre cómo se comporta el metal kagome CsV3Sb5 en diversas condiciones, lo que brinda a los investigadores una imagen más precisa de sus propiedades y posibles aplicaciones en el mundo real.
“Los polaritones de plasmón hiperbólico pueden ofrecer una gama de propiedades y capacidades nanoópticas sorprendentes”, dijo Ni. “Tienen el potencial de mejorar los sistemas de comunicación óptica, permitir imágenes súper claras más allá de los límites actuales y hacer que los dispositivos fotónicos funcionen mejor. También podrían ser útiles para detectar cosas como cambios ambientales y diagnósticos médicos porque responden fuertemente a su entorno. Es clave para el avance de las futuras tecnologías ópticas y fotónicas”.
El metal CsV3Sb5 fue una opción prometedora para la investigación de plasmones debido a sus inusuales propiedades electrónicas y ópticas, como la capacidad de hacer que las ondas de plasmón se muevan en una sola dirección, por nombrar sólo una. Los avances recientes en la tecnología de imágenes a nivel de nanoescala han ayudado a los investigadores a completar su trabajo.
“Por lo general, hubo intentos complejos de observar los efectos del acoplamiento externo de materia ligera con polaritones hiperbólicos antes de experimentar daño electrónico en metales convencionales”, dice Ni. “Eso es parte de lo que hace que este sea un avance emocionante. Será interesante continuar explorando fenómenos nanoópticos en metales no convencionales debido al potencial de contribuir a tecnologías futuras”.