Kvantetilstandene på overfladen af ​​ledende materialer kan interagere stærkt med lys

En eksotisk stoftilstand, der blænder videnskabsmænd med sine elektriske egenskaber, kan også udvise usædvanlige optiske egenskaber, som vist i en teoretisk undersøgelse foretaget af forskere ved A*STAR.

Atomisk tynde materialer, såsom grafen, få nogle af deres egenskaber fra det faktum, at elektroner er begrænset til at rejse i kun to dimensioner. Lignende fænomener ses også i nogle tredimensionelle materialer, hvor elektroner, der er begrænset til overfladen, opfører sig meget anderledes end dem i bulken - f.eks. topologiske isolatorer, hvis overfladeelektroner leder elektricitet, selvom deres bulkelektroner ikke gør det. For nylig, en anden spændende klasse af materialer er blevet identificeret:den topologiske semimetall.

Forskellen i isolator og leders elektriske egenskaber er ned til båndgabet:et mellemrum mellem områderne, eller bands, af energi, som en elektron, der rejser gennem materialet, kan antage. I en isolator, det nederste bånd er fyldt med elektroner, og båndgabet er for stort til, at en strøm kan flyde. I en halvmetal, det nederste bånd er også fuldt, men det nederste og øvre bånd rører ved nogle punkter, muliggør flow af en lille strøm.

Denne mangel på et fuldt båndgab betyder, at topologiske semimetaller teoretisk set bør udvise meget forskellige egenskaber end de mere konventionelle topologiske isolatorer.

For at bevise dette, Li-kun Shi og Justin Song fra A*STAR Institute of High Performance Computing brugte en 'effektiv Hamiltonian' tilnærmelse til at vise, at de todimensionelle overfladetilstande i halvmetaller, kendt som Fermi-buer, besidder en lys-stof-interaktion, der er meget stærkere end den, der findes i andre gabløse todimensionelle systemer, såsom grafen.

"Typisk, hovedparten dominerer materialeabsorption, " forklarer Song. "Men vi viser, at Dirac-halvmetaller er usædvanlige, idet de har en meget optisk aktiv overflade på grund af disse ejendommelige Fermi-buetilstande."

Shi og Song analyserede en prototypisk semimetal med en symmetrisk båndstruktur, hvor de elektroniske bånd berører to steder, kendt som Dirac-punkter, og forudsagde den styrke, med hvilken indfaldende stråling inducerer elektronovergange fra det nedre bånd til det øvre. De fandt ud af, at overfladeabsorption i høj grad afhænger af lysets polarisering, være 100 til 1, 000 gange stærkere, når lys er polariseret vinkelret – i stedet for parallelt – på krystallens rotationsakse. Denne stærke anisotropi tilbyder en måde til optisk at undersøge og sondere de topologiske overfladetilstande af Dirac-halvmetaller.

"Vores mål er at identificere mere ukonventionel optik, der opstår på grund af Fermi-buer, " siger Song. "Topologiske halvmetaller kunne være vært for usædvanlig opto-elektronisk adfærd, der går ud over konventionelle materialer."