Na cestaria tradicional japonesa, o antigo design "Kagome" visto em muitas criações artesanais é caracterizado por um padrão simétrico de triângulos entrelaçados com cantos compartilhados. Na física quântica, o nome Kagome foi emprestado por cientistas para descrever uma classe de materiais com uma estrutura atômica que se assemelha muito a esse padrão de treliça distinto.

Desde que a mais recente família de metais Kagome foi descoberta em 2019, os físicos têm trabalhado para entender melhor suas propriedades e potenciais aplicações. Um novo estudo liderado pelo Professor Assistente de Física da Florida State University, Guangxin Ni, foca em como um metal Kagome em particular interage com a luz para gerar o que é conhecido como polaritons de plasmon — ondas de elétrons e campos eletromagnéticos ligados em nível nanoescala em um material, normalmente causados por luz ou outras ondas eletromagnéticas. O trabalho foi publicado na Nature Communications.

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 metal antimoneto de césio vanádio, também conhecido por sua fórmula química CsV 3 Sb 5 , 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 CsV 3 Sb 5 e descobriram que o comprimento de onda desses plasmons depende da espessura do metal.

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."

Para explorar como os plasmons interagiam com o metal, os pesquisadores cultivaram monocristais de CsV 3 Sb 5 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 de plasmons do metal — ondas de elétrons interagindo com campos eletromagnéticos — mudavam de maneiras interessantes.

"O que torna o CsV 3 Sb 5 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 National High Magnetic Field Laboratory, sediado na FSU. "Descobrimos que em uma ampla faixa de frequências 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 CsV 3 Sb 5 se comporta sob várias condições, fornecendo aos pesquisadores uma imagem mais precisa de suas propriedades e potenciais aplicações no mundo real.

"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 CsV 3 Sb 5 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 para contribuir com tecnologias futuras."

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.