Kvanteforholdene på overflaten av ledende materialer kan sterkt vekselvirke med lys

Anonim

En eksotisk tilstand av materie som er blendende forskere med sine elektriske egenskaper, kan også vise uvanlige optiske egenskaper, som vist i en teoretisk studie av forskere ved A * STAR.

Atomisk tynne materialer, som grafen, avled noen av egenskapene deres fra det faktum at elektroner er begrenset til å reise i bare to dimensjoner. Lignende fenomener er også sett i noen tredimensjonale materialer, hvor elektroner som er begrenset til overflaten oppfører seg veldig forskjellig fra de som er i bulk - for eksempel topologiske isolatorer, hvis overflateelektroner fører strøm, selv om deres masseelektroner ikke gjør det. Nylig har en annen spennende klasse av materialer blitt identifisert: den topologiske semimetall.

Forskjellen i isolator- og dirigentens elektriske egenskaper er ned til bandgapet: Et gap mellom områdene eller båndene av energi som en elektron som reiser gjennom materialet kan anta. I en isolator er det nedre bånd fullt av elektroner og bandgapet er for stort for at en strøm skal kunne strømme. I en halvdel er det nedre bandet også fullt, men de nedre og øvre bandene berører noen punkter, noe som gjør det mulig å flyte en liten strøm.

Denne mangelen på en full bandgap betyr at topologiske semimetaler skal teoretisk vise meget forskjellige egenskaper fra de av de mer konvensjonelle topologiske isolatorene.

For å bevise dette, brukte Li-kun Shi og Justin Song fra A * STAR Institute of High Performance Computing en "effektiv Hamiltonian" tilnærming til å vise at de todimensjonale overflatestatistikkene i semimetaler, kjent som Fermi-buer, har en lett sak samhandling mye sterkere enn det som finnes i andre gapløse todimensjonale systemer, som grafen.

"Vanligvis dominerer massen materialabsorpsjon, " forklarer Song. "Men vi viser at Dirac semimetaler er uvanlige ved at de har en meget optisk aktiv overflate på grunn av disse spesielle Fermi-bue-statene."

Shi og Song analyserte et proto-typisk semimetall med en symmetrisk båndstruktur der elektroniske bandene berører to steder, kjent som Dirac-poeng, og spådde styrken med hvilken hevdet stråling induserer elektronoverganger fra underbåndet til den øvre. De fant at overflateabsorpsjonen avhenger sterkt av polariseringen av lys, som er 100 til 1000 ganger sterkere når lyset polariseres vinkelrett-i stedet for parallelt til krystallets rotasjonsakse. Denne sterke anisotropien gir en måte å optisk undersøke og undersøke de topologiske overflatestandene til Dirac semimetaler.

"Vårt mål er å identifisere mer ukonvensjonelle optikker som oppstår på grunn av Fermi-buer, " sier Song. "Topologiske semimetaler kan være uvanlig opto-elektronisk oppførsel som går utover konvensjonelle materialer."

menu
menu