Richiami sulla fotonica basata sui semimetalli di Weyl

Centro editoriale leggero, Istituto di ottica di Changchun, meccanica e fisica fine, CAS

immagine: (a) Semimetalli convenzionali, (b) Semimetalli di Weyl.vedere di più

Crediti: di Cheng Guo, Viktar S. Asadchy, Bo Zhao e Shanhui Fan

I semimetalli di Weyl sono materiali topologici le cui eccitazioni a bassa energia obbediscono all'equazione di Weyl. In un semimetallo di Weyl, le bande di conduzione e di valenza si toccano in punti distinti nello spazio della quantità di moto chiamati nodi di Weyl. I nodi di Weyl sono monopoli della curvatura di Berry e sono robusti sotto perturbazioni generiche. Le quasiparticelle vicino ai nodi di Weyl sono analoghe ai fermioni di Weyl nella fisica delle alte energie; mostrano dispersione lineare e chiralità ben definita.

In un nuovo articolo pubblicato su eLight, un team di scienziati guidato dal professor Shanhui Fan dell'Università di Stanford ha esaminato i concetti di base e le risposte ottiche dei semimetalli Weyl.

La topologia non banale dei semimetalli di Weyl porta a molte proprietà elettroniche, magnetiche, termiche e ottiche insolite. Queste caratteristiche intriganti sono state ampiamente studiate in letteratura. Oltre a questi interessi fondamentali, i semimetalli Weyl possono anche offrire nuove opportunità nelle applicazioni pratiche. Ad esempio, le applicazioni fotoniche includono isolatori ottici e circolatori compatti, rilevatori di momento angolare orbitale, generazione di armoniche di ordine superiore ed emettitori termici non reciproci. Tuttavia, tale esplorazione orientata alle applicazioni è ancora in una fase iniziale, che richiede maggiori sforzi congiunti da parte di scienziati e ingegneri.

I semimetalli Weyl sono una classe speciale di semimetalli. Presentano proprietà comuni dei semimetalli e alcune caratteristiche uniche. Secondo la teoria delle bande, i solidi possono essere classificati come isolanti, semiconduttori, semimetalli e metalli. Un isolante o un semiconduttore ha una banda proibita tra le bande di valenza e di conduzione; il gap di banda è più significativo per un isolante che per un semiconduttore. Un semimetallo ha una sovrapposizione minima tra le bande di conduzione e di valenza e una densità trascurabile di stati a livello di Fermi. Un metallo ha una banda di conduzione parzialmente riempita e un'apprezzabile densità di stati a livello di Fermi.

I ricercatori forniscono le loro prospettive sui lavori futuri sul tema emergente della fotonica basata sui semimetalli di Weyl. Finora, la maggior parte dei lavori sui semimetalli di Weyl si concentrano su una nuova fisica. Gli ingegneri hanno enormi sfide e opportunità per rendere questi effetti fisici praticamente utili.

Esistono molte opportunità, tra cui la sintesi di semimetalli Weyl di alta qualità e di ampia area e la fabbricazione di dispositivi fotonici basati su materiali semimetallici Weyl. Altre opzioni includono la progettazione di strutture fotoniche per migliorare le interazioni luce-materia nei semimetalli di Weyl e la gestione dei fotoni per migliorare l'assorbimento della luce e le fotocorrenti nei semimetalli di Weyl. In effetti, è necessario intraprendere molti sforzi per costruire dispositivi pratici a partire dai semimetalli di Weyl.

eLight

10.1186/s43593-022-00036-w

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