新的研究發現在一種獨特的量子材料中存在波導的證據。這些發現與人們對金屬如何導光的預期相悖，并可能将成像技術推向光學衍射的極限之外。當我們在日常生活中遇到金屬時，會認為它是有光澤的。這是因為普通的金屬材料在可見光波長下具有反射性，因此會将照射到它們的光線反彈回來。盡管金屬很适合導電和導熱，但它們通常不會被認為是傳導光線的手段。

然而，科學家們正越來越多地發現一些例子，這些例子挑戰着人們對量子材料這一新興領域中事物應該如何表現的期望。新的研究描述了一種能夠通傳導光線的金屬。該研究由哥倫比亞大學希金斯物理學教授德米特裡-巴索夫領導的研究小組進行，于10月26日發表在《科學進展》上。"巴索夫說："這些結果違背了我們的日常經驗和普通概念。

"利用雙曲質子，我們可以用長幾百倍的紅外光來解析小于100納米的特征。"

- Yinming Shao

這項工作由Yinming Shao領導，他現在是哥倫比亞大學的博士後，當Basov在2016年将他的實驗室從加州大學聖地亞哥分校（UCSD）搬到紐約時，他作為博士生轉來。在與巴索夫小組合作期間，Shao一直在探索一種被稱為ZrSiSe的半金屬材料的光學特性。在2020年的《自然-物理學》雜志上，Shao和他的同事表明ZrSiSe與石墨烯有電子方面的相似之處，石墨烯是2004年發現的第一個所謂的狄拉克材料。然而，ZrSiSe具有增強的電子關聯性，這在狄拉克半金屬中是罕見的。

石墨烯是一個單一的、原子般薄的碳層，而ZrSiSe是一個由層組成的三維金屬晶體，在平面内和平面外的方向上表現不同。這是一種被稱為各向異性的特性。

"我們想利用光波導模式，就像我們在這種材料中發現的那樣，并希望在其他材料中發現，作為有趣的新物理學的報告者。"

- Dmitri Basov

"它有點像一個三明治：一層像金屬，而下一層像絕緣體，"Shao解釋說。"當這種情況發生時，光開始在某些頻率下與金屬發生不同尋常的互動。它可以在材料内部以"之"字形的方式傳播，而不是僅僅被彈開，我們稱之為雙曲波導。

在他們目前的工作中，Shao和他在哥倫比亞大學和加州大學舊金山分校的合作者觀察到了這種光的之字形運動，即所謂的雙曲波導模式，通過不同厚度的ZrSiSe樣品。這種波導可以引導光通過材料。在這裡，它們是由光子與電子振蕩混合産生的混合類粒子，稱為質子。

盡管在許多層狀金屬中都符合産生可以超線性傳播的質子的條件，但正是由于ZrSiSe獨特的電子能級範圍，稱為電子帶結構，使研究小組能夠在這種材料中觀察到它們。

質子可以"放大"樣品中的特征，使研究人員能夠看到超越光學顯微鏡的衍射極限，否則，光學顯微鏡無法解決比其使用的光的波長更小的細節。"Shao說："使用雙曲質子，我們可以用長幾百倍的紅外光解決小于100納米的特征。"

Shao說，ZrSiSe可以被剝離到不同的厚度，使其成為偏愛超薄材料的納米光學研究的一個有趣的選擇。然而，它可能不是唯一有價值的材料--從這裡開始，該小組希望探索其他與ZrSiSe有相似之處但可能有更有利的波導特性的材料。這可以幫助研究人員開發更有效的光學芯片，以及更好的納米光學方法來探索有關量子材料的基本問題。

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