Electron confinement–induced plasmonic breakdown in metals

等离子体子 材料科学 电子 凝聚态物理 德鲁德模型 等离子体振荡 光电子学 电场 电介质 共振(粒子物理) 表面等离子共振 纳米技术 原子物理学 纳米颗粒 物理 量子力学
作者
Prasanna Das,Sourav Rudra,Dheemahi Rao,S. Banerjee,Ashalatha Indiradevi Kamalasanan Pillai,Magnus Garbrecht,Alexandra Boltasseva,I. V. Bondarev,Vladimir M. Shalaev,Bivas Saha
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:10 (47)
标识
DOI:10.1126/sciadv.adr2596
摘要

Plasmon resonance represents the collective oscillation of free electron gas density and enables enhanced light-matter interactions in nanoscale dimensions. Traditionally, the classical Drude model describes plasmonic excitation, wherein plasma frequency exhibits no spatial dispersion. Here, we show conclusive experimental evidence of the breakdown of plasmon resonance and a consequent metal-insulator transition in an ultrathin refractory plasmonic material, hafnium nitride (HfN). Epitaxial HfN thick films exhibit a low-loss and high-quality Drude-like plasmon resonance in the visible spectral range. However, as the film thickness is reduced to nanoscale dimensions, Coulomb interaction among electrons increases because of electron confinement, leading to the spatial dispersion of plasma frequency. With a further decrease in thickness, electrons lose their ability to shield the incident electric field, turning the medium into a dielectric. The observed metal-insulator transition might carry some signatures of Wigner crystallization and indicates that such transdimensional, between 2D and 3D, films can serve as a promising playground to study strongly correlated electron systems.

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