研究人员发现了Kagome金属中的独特现象

在传统的日本篮子编织中，许多手工创作中看到的古老“Kagome”设计的特点是具有共享角的交织三角形的对称图案。在量子物理学中，科学家借用了Kagome这个名字来描述一类原子结构与这种独特晶格模式非常相似的材料

自2019年发现最新的Kagome金属家族以来，物理学家一直在努力更好地了解它们的性质和潜在应用。佛罗里达州立大学物理学助理教授倪广新领导的一项新研究重点关注特定的Kagome金属如何与光相互作用，产生所谓的等离子体激元——材料中电子和电磁场的纳米级连接波，通常由光或其他电磁波引起。这项工作发表在《自然通讯》上

之前的研究已经研究了普通金属中的等离子体激元，但在电子行为更复杂的Kagome金属中没有那么多。在这项研究中，FSU的研究人员检查了金属锑化铯钒，也被称为化学式CsV3Sb5，以更好地了解使其成为更精确和高效的光子技术有前景的竞争者的特性

研究人员首次发现CsV3Sb5中存在等离子体激元，并发现这些等离子体激元的波长取决于金属的厚度

他们还发现，改变激光照射金属的频率会导致等离子体激元的行为不同，将它们变成一种称为“双曲体等离子体激元”的形式，这种形式在材料中传播，而不是局限于表面。因此，这些波损失的能量比以前少，这意味着它们可以更有效地传播

Ni说：“双曲等离子体激元在天然金属中很少见，但我们的研究揭示了电子相互作用如何在纳米尺度上产生这些独特的波。”。“这一突破是推进纳米光学和纳米光子学技术的关键。”

为了探索等离子体激元如何与金属相互作用，研究人员生长了CsV3Sb5单晶，然后将薄片材料放置在专门制备的金表面上。通过使用激光进行扫描红外纳米成像，他们观察到金属的等离子体激元——与电磁场相互作用的电子波——是如何以有趣的方式变化的

“CsV3Sb5的有趣之处在于它如何在非常小的尺度上与光相互作用，即所谓的纳米光学，”主要作者Hossein Shiravi说，他是总部位于FSU的国家高磁场实验室的研究生助理。“我们发现，在很宽的红外光频率范围内，金属内部的相关电性质触发了双曲线体等离子体激元的形成。”

双曲线模式意味着损失的能量更少。该团队的研究结果揭示了Kagome金属CsV3Sb5在各种条件下的行为方式的新信息，为研究人员提供了更准确的特性和潜在的现实应用

“双曲等离子体激元可以提供一系列令人惊叹的纳米光学特性和能力，”Ni说。“它们有可能促进光通信系统的发展，允许超清晰成像超越电流限制，并使光子器件更好地工作。它们也可用于感知环境变化和医学诊断等事情，因为它们对周围环境有强烈的反应。这些特性使它们成为推进未来光学和光子技术的关键。”

CsV3Sb5金属因其不同寻常的电子和光学特性而成为等离子体研究的有前景的选择，例如它可能迫使等离子体波沿单一方向移动，仅举一例。纳米级成像技术的最新进展帮助研究人员完成了他们的工作。Ni说：“传统金属中通常遇到的电子损失以前使观察奇异光物质耦合效应的努力变得复杂，包括双曲极化子。”。“这是这一令人兴奋的突破的一部分。继续探索非传统金属中的纳米光学现象将是有趣的，因为它们有可能为未来的技术做出贡献。”FSU研究生Aakash Gupta也是这项研究的合著者。这项研究是与加州大学圣巴巴拉分校、田纳西州橡树岭国家实验室、中国清华大学、德国斯图加特大学、莱比锡大学和离子束物理与材料研究所的研究人员合作进行的 More information: H. Shiravi et al, Plasmons in the Kagome metal CsV3Sb5, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49723-x

Journal information: Nature Communications