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Um diagrama do antimoneto de césio vanádio do metal Kagome mostrando ondas de plasmon se movendo através do material. Crédito: Guangxin Ni
Um estudo focado no antimoneto de césio vanádio, um metal Kagome, mostrou seu potencial em melhorar a nano-óptica gerando polaritons de plasmon únicos. Essas descobertas podem avançar as tecnologias de comunicação e sensoriamento óptico.
Na cestaria tradicional japonesa, o antigo design “Kagome”, notável por seu arranjo simétrico de triângulos entrelaçados com cantos compartilhados, enfeita muitos itens artesanais. Da mesma forma, na física quântica, os cientistas usam o termo “Kagome” para se referir a uma categoria de materiais cujas estruturas atômicas imitam esse padrão de rede único.
Desde 2019, quando a mais recente família de metais Kagome foi descoberta, os físicos têm trabalhado para entender melhor suas propriedades e potenciais aplicações. Um novo estudo liderado por Universidade Estadual da Flórida (FSU) O professor assistente de física Guangxin Ni se concentra em como um metal Kagome específico interage com a luz para gerar o que é conhecido como polaritons de plasmon — nanoescala-ondas ligadas de elétrons e campos eletromagnéticos em um material, tipicamente causadas por luz ou outras ondas eletromagnéticas. O trabalho foi publicado recentemente no periódico Comunicações da Natureza.
Propriedades e potencial fotônico de CsV3Sb5
Pesquisas anteriores examinaram plasmons em metais regulares, mas não tanto em metais Kagome, onde o comportamento dos elétrons é mais complexo. Neste estudo, os pesquisadores da FSU examinaram o antimoneto de césio vanádio metálico, também conhecido por sua fórmula química CsV3Sb5, para entender melhor as propriedades que o tornam um candidato promissor para tecnologias fotônicas mais precisas e eficientes.
Os pesquisadores identificaram pela primeira vez a existência de plasmons em CsV3Sb5 e descobriram que o comprimento de onda desses plasmons depende da espessura do metal.
Estudante de pós-graduação Hossein Shiravi, professor assistente Guangxin Ni e pesquisador de pós-doutorado Songbin Cui. Crédito: Devin Bittner/FSU Arts and Sciences
Avanço da nano-óptica com polaritons de plasmon hiperbólicos
Eles também descobriram que mudar a frequência de um laser brilhando no metal fazia com que os plasmons se comportassem de forma diferente, transformando-os em uma forma conhecida como “plasmons hiperbólicos em massa”, que se espalham pelo material em vez de ficarem confinados à superfície. Como resultado, essas ondas perderam menos energia do que antes, o que significa que podiam viajar de forma mais eficaz.
“Polaritons de plasmon hiperbólicos são raros em metais naturais, mas nossa pesquisa revela como as interações de elétrons podem criar essas ondas únicas na nanoescala”, disse Ni. “Essa descoberta é essencial para o avanço das tecnologias em nano-óptica e nano-fotônica.”
Métodos de pesquisa e observações em nanoimagem
Para explorar como os plasmons interagiam com o metal, os pesquisadores cultivaram monocristais de CsV3Sb5 e então colocaram flocos finos do material em superfícies de ouro especialmente preparadas. Usando lasers para realizar nanoimagens infravermelhas de varredura, eles observaram como os polaritons plasmons do metal — ondas de elétrons interagindo com campos eletromagnéticos — mudavam de maneiras interessantes.
“O que torna o CsV3Sb5 interessante é como ele interage com a luz em uma escala muito pequena, o que é conhecido como nano-óptica”, disse o autor principal Hossein Shiravi, um assistente de pesquisa de pós-graduação no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético sediado na FSU.. “Descobrimos que em uma ampla faixa de frequência de luz infravermelha, as propriedades elétricas correlacionadas dentro do metal desencadearam a formação de plasmons hiperbólicos em massa.”
Esse padrão hiperbólico significa que menos energia é perdida. As descobertas da equipe revelam novas informações sobre a maneira como o metal Kagome CsV3Sb5 se comporta sob várias condições, fornecendo aos pesquisadores uma imagem mais precisa de suas propriedades e potenciais aplicações no mundo real.
Aplicações potenciais e futuro dos metais Kagome
“Os polaritons de plasmon hiperbólicos podem oferecer uma gama de recursos e habilidades nano-ópticas incríveis”, disse Ni. “Eles têm o potencial de impulsionar sistemas de comunicação óptica, permitir imagens super nítidas além dos limites atuais e fazer dispositivos fotônicos funcionarem melhor. Eles também podem ser úteis para detectar coisas como mudanças ambientais e diagnósticos médicos porque reagem fortemente ao ambiente. Essas qualidades os tornam essenciais para o avanço de futuras tecnologias ópticas e fotônicas.”
O metal CsV3Sb5 foi uma escolha promissora para a pesquisa de plasmons por causa de suas propriedades eletrônicas e ópticas incomuns, como sua capacidade potencial de forçar ondas de plasmons a se moverem em uma única direção, para citar apenas uma. Avanços recentes na tecnologia de imagem no nível de nanoescala ajudaram os pesquisadores a concluir seu trabalho.
“Perdas eletrônicas tipicamente encontradas em metais convencionais complicaram anteriormente os esforços para observar efeitos exóticos de acoplamento luz-matéria, incluindo polaritons hiperbólicos”, disse Ni. “Isso é parte do que torna isso um avanço emocionante. Será interessante continuar explorando fenômenos nano-ópticos em metais não convencionais devido ao seu potencial de contribuir para tecnologias futuras.”
Referência: “Plasmons in the Kagome metal CsV3Sb5” por H. Shiravi, A. Gupta, BR Ortiz, S. Cui, B. Yu, E. Uykur, AA Tsirlin, SD Wilson, Z. Sun e GX Ni, 25 de junho de 2024 , Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49723-x
O aluno de pós-graduação da FSU, Aakash Gupta, também foi coautor deste estudo. O estudo foi conduzido em colaboração com pesquisadores da University of California Santa Barbara, Oak Ridge National Laboratory no Tennessee, Tsinghua University na China e University of Stuttgart, Leipzig University e Institute of Ion Beam Physics and Materials Research da Alemanha. Na FSU, esta pesquisa é apoiada por financiamento do US Department of Energy e National Science Foundation.