哥伦比亚物理学家发现一种能够传导光线的金属

新的研究发现在一种独特的量子材料中存在波导的证据。这些发现与人们对金属如何导光的预期相悖，并可能将成像技术推向光学衍射的极限之外。当我们在日常生活中遇到金属时，会认为它是有光泽的。这是因为普通的金属材料在可见光波长下具有反射性，因此会将照射到它们的光线反弹回来。尽管金属很适合导电和导热，但它们通常不会被认为是传导光线的手段。

然而，科学家们正越来越多地发现一些例子，这些例子挑战着人们对量子材料这一新兴领域中事物应该如何表现的期望。新的研究描述了一种能够通传导光线的金属。该研究由哥伦比亚大学希金斯物理学教授德米特里-巴索夫领导的研究小组进行，于10月26日发表在《科学进展》上。"巴索夫说："这些结果违背了我们的日常经验和普通概念。

"利用双曲质子，我们可以用长几百倍的红外光来解析小于100纳米的特征。"

- Yinming Shao

这项工作由Yinming Shao领导，他现在是哥伦比亚大学的博士后，当Basov在2016年将他的实验室从加州大学圣地亚哥分校（UCSD）搬到纽约时，他作为博士生转来。在与巴索夫小组合作期间，Shao一直在探索一种被称为ZrSiSe的半金属材料的光学特性。在2020年的《自然-物理学》杂志上，Shao和他的同事表明ZrSiSe与石墨烯有电子方面的相似之处，石墨烯是2004年发现的第一个所谓的狄拉克材料。然而，ZrSiSe具有增强的电子关联性，这在狄拉克半金属中是罕见的。

石墨烯是一个单一的、原子般薄的碳层，而ZrSiSe是一个由层组成的三维金属晶体，在平面内和平面外的方向上表现不同。这是一种被称为各向异性的特性。

"我们想利用光波导模式，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报告者。"

- Dmitri Basov

"它有点像一个三明治：一层像金属，而下一层像绝缘体，"Shao解释说。"当这种情况发生时，光开始在某些频率下与金属发生不同寻常的互动。它可以在材料内部以"之"字形的方式传播，而不是仅仅被弹开，我们称之为双曲波导。

在他们目前的工作中，Shao和他在哥伦比亚大学和加州大学旧金山分校的合作者观察到了这种光的之字形运动，即所谓的双曲波导模式，通过不同厚度的ZrSiSe样品。这种波导可以引导光通过材料。在这里，它们是由光子与电子振荡混合产生的混合类粒子，称为质子。

尽管在许多层状金属中都符合产生可以超线性传播的质子的条件，但正是由于ZrSiSe独特的电子能级范围，称为电子带结构，使研究小组能够在这种材料中观察到它们。

质子可以"放大"样品中的特征，使研究人员能够看到超越光学显微镜的衍射极限，否则，光学显微镜无法解决比其使用的光的波长更小的细节。"Shao说："使用双曲质子，我们可以用长几百倍的红外光解决小于100纳米的特征。"

Shao说，ZrSiSe可以被剥离到不同的厚度，使其成为偏爱超薄材料的纳米光学研究的一个有趣的选择。然而，它可能不是唯一有价值的材料--从这里开始，该小组希望探索其他与ZrSiSe有相似之处但可能有更有利的波导特性的材料。这可以帮助研究人员开发更有效的光学芯片，以及更好的纳米光学方法来探索有关量子材料的基本问题。

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