Una recente ricerca sull’antimoniuro di cesio vanadio, un particolare metallo Kagome, ha rivelato la sua capacità di generare polaritoni plasmonici unici, aprendo nuove prospettive nel campo della nano-ottica. Queste scoperte promettono di rivoluzionare le tecnologie di comunicazione ottica e di rilevamento.
Kagome: dalla tessitura alla fisica quantistica
Nella tradizionale tessitura giapponese dei cesti, l’antico design “Kagome”, degno di nota per la sua disposizione simmetrica di triangoli intrecciati con angoli in comune, impreziosisce molti oggetti artigianali. Allo stesso modo, nella fisica quantistica, gli scienziati usano il termine “Kagome” per riferirsi a una categoria di materiali le cui strutture atomiche imitano questo esclusivo schema reticolare.
Dal 2019, quando è stata scoperta l’ultima famiglia di metalli Kagome, i fisici hanno lavorato per comprenderne meglio le proprietà e le potenziali applicazioni. Un nuovo studio condotto dal professore associato di fisica della Florida State University (FSU) Guangxin Ni si è concentrato su come un particolare metallo Kagome interagisce con la luce per generare quelli che sono noti come polaritoni plasmonici, onde di elettroni e campi elettromagnetici collegati a livello nanometrico in un materiale, in genere causati dalla luce o da altre onde elettromagnetiche. Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications.
I metalli Kagome svelano plasmoni iperbolici
Ricerche precedenti hanno esaminato i plasmoni nei metalli normali, ma non tanto nei metalli Kagome, dove il comportamento degli elettroni è più complesso. In questo studio, i ricercatori della FSU hanno esaminato il metallo cesio vanadio antimoniuro, noto anche con la sua formula chimica CsV3Sb5, per comprendere meglio le proprietà che lo rendono un promettente contendente per tecnologie fotoniche più precise ed efficienti.
Il team ha identificato per la prima volta l’esistenza di plasmoni nel CsV3Sb5 e ha scoperto che la lunghezza d’onda di tali plasmoni dipende dallo spessore del metallo.
I ricercatori hanno anche scoperto che cambiando la frequenza di un laser che illumina il metallo, i plasmoni si comportavano in modo diverso, trasformandoli in una forma nota come “plasmoni di massa iperbolici”, che si sono diffuse attraverso il materiale anziché rimanere confinati alla superficie. Di conseguenza, queste onde hanno perso meno energia di prima, il che significa che possono viaggiare in modo più efficace.
Guangxin Ni ha dichiarato: “I polaritoni plasmonici iperbolici sono rari nei metalli naturali, ma la nostra ricerca ha rivelato come le interazioni degli elettroni possano creare queste onde uniche su scala nanometrica. Questa svolta è fondamentale per far progredire le tecnologie nella nano-ottica e nella nano-fotonica”.
Per esplorare come i plasmoni hanno interaggito con il metallo, i ricercatori hanno coltivato cristalli singoli di CsV3Sb5 e poi hanno posizionato sottili scaglie del materiale su superfici d’oro appositamente preparate. Utilizzando laser per eseguire nano-imaging a infrarossi a scansione, hanno osservato come i polaritoni plasmonici del metallo, onde di elettroni che interagiscono con i campi elettromagnetici, hanno cambiato in modi interessanti.
L’autore principale dello studio Hossein Shiravi, un assistente di ricerca laureato presso il National High Magnetic Field Laboratory con sede alla FSU, ha spiegato: “Quello che rende interessante il CsV3Sb5 è il modo in cui interagisce con la luce su una scala molto piccola, ciò che è noto come nano-ottica. Abbiamo scoperto che su un’ampia gamma di frequenze della luce infrarossa, le proprietà elettriche correlate all’interno del metallo hanno innescato la formazione di plasmoni di massa iperbolici”.
Questa geometria iperbolica comporta una minore dissipazione energetica, offrendo un vantaggio significativo. Le nuove scoperte sui metalli di Kagome, in particolare il CsV3Sb5, ci permettono di comprendere meglio il suo comportamento in diverse condizioni, delineando un quadro più preciso delle sue proprietà e delle potenziali applicazioni pratiche.
Potenziali applicazioni e futuro dei metalli Kagome
Guangxin Ni ha affermato: “I polaritoni plasmonici iperbolici possono offrire una gamma di incredibili caratteristiche e capacità nano-ottiche. Hanno il potenziale per potenziare i sistemi di comunicazione ottica, consentire immagini super nitide oltre i limiti attuali e far funzionare meglio i dispositivi fotonici. Potrebbero anche essere utili per rilevare cose come i cambiamenti ambientali e le diagnosi mediche perché reagiscono fortemente all’ambiente circostante. Queste qualità li rendono fondamentali per far progredire le future tecnologie ottiche e fotoniche”.
Il metallo CsV3Sb5 è stata una scelta promettente per la ricerca sui plasmoni grazie delle sue insolite proprietà elettroniche e ottiche, come la sua potenziale capacità di forzare le onde di plasmoni a muoversi in una sola direzione, per citarne solo una. I recenti progressi nella tecnologia di imaging a livello di nanoscala hanno aiutato i ricercatori a completare il loro lavoro.
Ni ha concluso: “Le perdite elettroniche tipicamente riscontrate nei metalli convenzionali hanno in precedenza complicato gli sforzi per osservare effetti esotici di accoppiamento luce-materia, inclusi i polaritoni iperbolici. Questo è parte di ciò che rende questa una svolta entusiasmante. Sarà interessante continuare a esplorare i fenomeni nano-ottici nei metalli non convenzionali a causa del loro potenziale di contribuire alle tecnologie future”.
