Naši kolege Marin Petrović i Marko Kralj, u suradnji s istraživačima sa Sveučilišta u Kyotu, objavili su rad u časopisu Physical Review Letters. Interkalacija i adsorpcija alkalijskih atoma korištena je za stvaranje sendviča 2D materijala i alkalija što vodi na izraženu lokalizaciju valne funkcije tog sustava i formiranje oštrog višepolnog plazmona.

Linewidth narrowing with ultimate confinement of alkali multipole plasmon by modifying surface electronic wavefunction with two dimensional materials

Shunsuke Tanaka, Tatsuya Yoshida, Kazuya Watanabe, Yoshiyasu Matsumoto, Tomokazu Yasuike, Marin Petrović, and Marko Kralj, Physical Review Letters 125, 126802 (2020).

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.125.126802

 

Mogućnost propagacije vanjskog elektromagnetskog polja, odnosno svjetlosti, u poluvodičima i metalima je od iznimnog fundamentalnog i tehnološkog značaja, te je važno za razne primjene, između ostalog za kemijske senzore, fotodetektore, fotovoltaike i telekomunikacije. Realizacija fizikalnog procesa svodi se na kolektivne oscilacije elektronske gustoće u materijalu, pri čemu su plazmoni kvazičestice koje odgovaraju tim oscilacijama. Plazmoni uvelike određuju optički odgovor metala i poluvodiča, a pošto imaju valne duljine puno manje od valnih duljina pobudne svjetlosti, mogu biti značajno prostorno lokalizirani u materijalima, primjerice na površinama.

Grafen, kao predvodnik u familiji atomski tankih materijala, je zbog svog polumetalnog karaktera i mogućnosti finog podešavanja gustoće stanja pri Fermijevom nivou otvorio nove perspektive u istraživanjima usmjerenim na plazmone. Međutim, optička apsorpcija za plazmone u grafenu ograničena je na područje infracrvenih frekvencija, dok je poželjna ekstenzija na širi spektar energija moguća u specijalnim uvjetima, primjerice nanovrpcama grafena.

U ovom radu epitaksijalni grafen i heksagonalni borov nitrid (hBN) na Ir(111) se koriste kao podloga za specijalnu arhitekturu dvosloja alkalijskih atoma, pri čemu se zbog interkalacije i adsorpcije alkalijskih atoma formira struktura u kojem je 2D materijal “usendvičen” između dva sloja alkalija. Takva struktura pak vodi na elektronski dobro odvojen vanjski sloj alkalijskih atoma, koji zajedno s 2D materijalom podržavaju takozvani višepolni plazmon s dipolnim profilom gustoće naboja. Dipolni karakter vodi na mogućnost direktnog vezanja vanjskog elektromagnetskog polja i izraženi efekt apsorpcije svjetlosti u vidljivom području, što u eksperimentu gdje se mjeri refleksivnost uzorka, opažamo kao gigantsku usku apsorpcijsku vrpcu vidljivu na Slici 1.

Uz eksperimente koji jasno pokazuju efekt realiziran u strukturi alkalijskog sloja krojenog s atomskom preciznošću, primijenjen je i vremenski ovisni DFT račun s jellium modelom. Takav izračun daje profil elektronske gustoće na površini (vidi Sliku 2) i ukazuje na odvojenost od Ir podloge u slučaju realizirane alkalijske „sendvič“ strukture, čime se nedvosmisleno potvrđuje efekt snažne lokalizacije višepolnog plazmona unutar atomski tankog vanjskog sloja alkalija uz iznimno lokalno pojačanje elektromagnetskog polja od pet redova veličine.