תרשים של מתכת קגומה צסיום ונדיום אנטימוניד המראה גלי פלסמון נעים דרך החומר. קרדיט: גואנגשין ני
מחקר המתמקד באנטימוניד צסיום ונדיום, מתכת קגומה, הראה את הפוטנציאל שלו בשיפור הננו-אופטיקה על ידי יצירת פולריטונים פלסמוניים ייחודיים. ממצאים אלה יכולים לקדם תקשורת אופטית וטכנולוגיות חישה.
בשזירת סלים יפנית מסורתית, עיצוב ה"קאגומה" העתיק, הבולט בסידורו הסימטרי של משולשים שלובים עם פינות משותפות, מפאר פריטים רבים בעבודת יד. באופן דומה, בפיזיקה הקוונטית, מדענים משתמשים במונח "קגומה" כדי להתייחס לקטגוריה של חומרים שהמבנים האטומיים שלהם מחקים את תבנית הסריג הייחודית הזו.
מאז 2019, כאשר התגלתה המשפחה האחרונה של מתכות קגומה, פיזיקאים פועלים כדי להבין טוב יותר את התכונות והיישומים הפוטנציאליים שלהן. מחקר חדש בראשות אוניברסיטת פלורידה סטייט (FSU) עוזר פרופסור לפיזיקה גואנגשין ני מתמקד באופן שבו מתכת קגומה מסוימת מקיימת אינטראקציה עם אור כדי ליצור מה שמכונה פולריטונים פלסמונים – ננומטרי-גלים מקושרים ברמה של אלקטרונים ושדות אלקטרומגנטיים בחומר, הנגרמים בדרך כלל על ידי אור או גלים אלקטרומגנטיים אחרים. העבודה פורסמה לאחרונה בכתב העת תקשורת טבע.
מאפיינים ופוטנציאל פוטו של CsV3Sb5
מחקר קודם בדק פלסמונים במתכות רגילות, אך לא במתכות קגומה, שבהן התנהגות האלקטרונים מורכבת יותר. במחקר זה, חוקרי FSU בחנו את המתכת צזיום ונדיום אנטימוניד, הידועה גם בנוסחה הכימית שלה CsV3Sb5, כדי להבין טוב יותר את התכונות שהופכות אותה למתמודדת מבטיחה על טכנולוגיות פוטוניות מדויקות ויעילות יותר.
החוקרים זיהו לראשונה את קיומם של פלסמונים ב-CsV3Sb5 ומצאו כי אורך הגל של הפלסמונים הללו תלוי בעובי המתכת.
הסטודנט לתואר שני Hossein Shiravi, עוזר פרופסור גואנגשין ני והחוקר הפוסט-דוקטורט סונגבין קוי. קרדיט: Devin Bittner/FSU Arts and Sciences
קידום ננו-אופטיקה עם פולריטונים פלסמונים היפרבוליים
הם גם גילו ששינוי תדירות הלייזר הזורח במתכת גרם לפלסמונים להתנהג אחרת, והפך אותם לצורה הידועה בשם "פלסמונים בתפזורת היפרבוליים", שהתפשטו דרך החומר במקום להישאר מוגבלים לפני השטח. כתוצאה מכך, גלים אלה איבדו פחות אנרגיה מבעבר, כלומר הם יכולים לנוע ביעילות רבה יותר.
"קוטבי פלסמונים היפרבוליים הם נדירים במתכות טבעיות, אבל המחקר שלנו מגלה כיצד אינטראקציות אלקטרונים יכולות ליצור גלים ייחודיים אלה בקנה מידה ננו," אמר Ni. "פריצת דרך זו היא המפתח לקידום טכנולוגיות בננו-אופטיקה וננו-פוטוניקה."
שיטות מחקר ותצפיות בננו-הדמיה
כדי לחקור כיצד פלסמונים תקשרו עם המתכת, החוקרים גידלו גבישים בודדים של CsV3Sb5 ולאחר מכן הניחו פתיתים דקים של החומר על משטחי זהב שהוכנו במיוחד. על ידי שימוש בלייזרים לביצוע סריקת ננו-דמיית אינפרא אדום, הם ראו כיצד הפולריטונים הפלסמונים של המתכת – גלי אלקטרונים המקיימים אינטראקציה עם שדות אלקטרומגנטיים – השתנו בדרכים מעניינות.
"מה שהופך את CsV3Sb5 למעניין הוא האופן שבו הוא מקיים אינטראקציה עם אור בקנה מידה קטן מאוד, מה שמכונה ננו-אופטיקה", אמר הסופר הראשי חוסיין שיראווי, עוזר מחקר בוגר במעבדה הלאומית לשדה מגנטי גבוה שבמרכזה של FSU. "מצאנו שבטווח רחב של תדר אור אינפרא אדום, התכונות החשמליות המתואמות בתוך המתכת עוררו היווצרות של פלסמונים היפרבוליים בתפזורת."
הדפוס ההיפרבולי הזה אומר שפחות אנרגיה אובדת. ממצאי הצוות חושפים מידע חדש על האופן שבו מתכת Kagome מתכת CsV3Sb5 מתנהג בתנאים שונים, ומספקים לחוקרים תמונה מדויקת יותר של מאפייניה ויישומים פוטנציאליים בעולם האמיתי.
יישומים פוטנציאליים ועתיד של מתכות קגומה
"פולריטונים פלסמונים היפרבוליים יכולים להציע מגוון של תכונות ויכולות ננו-אופטיות מדהימות", אמר Ni. "יש להם פוטנציאל לשפר את מערכות התקשורת האופטיות, לאפשר הדמיה סופר ברורה מעבר למגבלות הנוכחיות ולגרום להתקנים פוטוניים לעבוד טוב יותר. הם יכולים גם להיות שימושיים עבור חישת דברים כמו שינויים סביבתיים ואבחון רפואי מכיוון שהם מגיבים בחוזקה לסביבתם. התכונות הללו הופכות אותם למפתח לקידום טכנולוגיות אופטיות ופוטוניות עתידיות."
המתכת CsV3Sb5 הייתה בחירה מבטיחה לחקר פלסמונים בגלל התכונות האלקטרוניות והאופטיות יוצאות הדופן שלה, כמו היכולת הפוטנציאלית שלה לאלץ גלים של פלסמונים לנוע בכיוון אחד, אם רק ציין אחד. ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית הדמיה בקנה מידה ננו עזר לחוקרים להשלים את עבודתם.
"הפסדים אלקטרוניים שנתקלים בדרך כלל במתכות קונבנציונליות סיבכו בעבר את המאמצים לצפות בהשפעות צימוד אקזוטיות של אור-חומר, כולל קוטביות היפרבוליות," אמר Ni. "זה חלק ממה שהופך את זה לפריצת דרך מרגשת. יהיה מעניין להמשיך ולחקור תופעות ננו-אופטיות במתכות לא שגרתיות בשל הפוטנציאל שלהן לתרום לטכנולוגיות עתידיות".
סטודנט לתואר שני ב-FSU Aakash Gupta היה גם מחבר שותף במחקר זה. המחקר נערך בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה סנטה ברברה, המעבדה הלאומית Oak Ridge בטנסי, אוניברסיטת Tsinghua בסין, ואוניברסיטת שטוטגרט בגרמניה, אוניברסיטת לייפציג והמכון לפיזיקה של אלומת יונים וחומרים. ב-FSU, מחקר זה נתמך על ידי מימון ממשרד האנרגיה האמריקאי והקרן הלאומית למדע.
