En una nueva investigación publicada en Science Advances, un equipo liderado por Dmitri Basov, profesor de física en la Universidad de Columbia, describe un metal capaz de conducir la luz.

Cuando nos encontramos con metales en nuestra vida cotidiana, los percibimos como brillantes. Esto se debe a que los materiales metálicos comunes reflejan las longitudes de onda de la luz visible y rebotan cualquier luz que los incida. Si bien los metales son adecuados para conducir la electricidad y el calor, normalmente no se los considera un medio para conducir la luz.

Pero en el floreciente campo de los materiales cuánticos, los investigadores encuentran cada vez más ejemplos que desafían las expectativas sobre cómo deberían comportarse las cosas.

El nuevo trabajo fue dirigido por Yinming Shao, ahora un postdoctorado en Columbia que se transfirió como estudiante cuando Basov trasladó su laboratorio de la Universidad de California en San Diego a Nueva York en 2016. Mientras trabajaba con el grupo Basov, Shao ha estado explorando las propiedades ópticas de un material semimetálico conocido como ZrSiSe.

En 2020 en Nature Physics, Shao y sus colegas demostraron que ZrSiSe comparte similitudes electrónicas con el grafeno, el primer material llamado Dirac descubierto en 2004. Sin embargo, ZrSiSe ha mejorado las correlaciones electrónicas que son raras para los semimetales de Dirac.

Mientras que el grafeno es una capa de carbono del grosor de un átomo, el ZrSiSe es un cristal metálico tridimensional formado por capas que se comportan de manera diferente en las direcciones dentro y fuera del plano, una propiedad conocida como anisotropía. "Es como un sándwich: una capa actúa como un metal mientras que la siguiente capa actúa como un aislante", explicó Shao en un comunicado. "Cuando eso sucede, la luz comienza a interactuar inusualmente con el metal en ciertas frecuencias. En lugar de simplemente rebotar, puede viajar dentro del material en un patrón en zigzag, lo que llamamos propagación hiperbólica".

En su trabajo actual, Shao y sus colaboradores en Columbia y la Universidad de California en San Diego observaron tal movimiento en zigzag de la luz, los llamados modos de guía de ondas hiperbólicas, a través de muestras de ZrSiSe de diferentes espesores. Estas guías de ondas pueden guiar la luz a través de un material y, en este caso, resultan de fotones de luz que se mezclan con oscilaciones de electrones para crear cuasipartículas híbridas llamadas plasmones.

Aunque las condiciones para generar plasmones que pueden propagarse hiperbólicamente se cumplen en muchos metales en capas, es el rango único de niveles de energía de electrones, llamado estructura de banda electrónica, de ZrSiSe lo que permitió al equipo observarlos en este material.

El apoyo teórico para ayudar a explicar estos resultados experimentales provino de Andrey Rikhter en el grupo de Michael Fogler en UC San Diego, Umberto De Giovannini y Angel Rubio en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia, y Raquel Queiroz y Andrew Millis en Columbia.

Los plasmones pueden "aumentar" las características de una muestra, lo que permite a los investigadores ver más allá del límite de difracción de los microscopios ópticos, que de otro modo no pueden resolver detalles más pequeños que la longitud de onda de la luz que utilizan. "Usando plasmones hiperbólicos, pudimos resolver características de menos de 100 nanómetros usando luz infrarroja que es cientos de veces más larga", dijo Shao.

ZrSiSe se puede laminar en diferentes espesores, lo que lo convierte en una opción interesante para la investigación de nanoóptica que favorece los materiales ultrafinos, dijo Shao. Pero es probable que no sea el único material valioso: a partir de aquí, el grupo quiere explorar otros que compartan similitudes con ZrSiSe pero que puedan tener propiedades de guía de ondas aún más favorables. Eso podría ayudar a los investigadores a desarrollar chips ópticos más eficientes y mejores enfoques de nanoóptica para explorar cuestiones fundamentales sobre los materiales cuánticos.

"Queremos utilizar modos de guía de ondas ópticas, como hemos encontrado en este material y esperamos encontrar en otros, como reporteros de nueva física interesante", dijo Basov.