Revisão de fotônica baseada em semimetais de Weyl

Light Publishing Center, Instituto Changchun de Óptica, Mecânica Fina e Física, CAS

imagem: (a) Semimetais convencionais, (b) Semimetais de Weyl.Veja mais

Crédito: por Cheng Guo, Viktar S. Asadchy, Bo Zhao e Shanhui Fan

Os semimetais de Weyl são materiais topológicos cujas excitações de baixa energia obedecem à equação de Weyl. Em um semimetal de Weyl, as bandas de condução e valência se tocam em pontos discretos no espaço de momento chamados nós de Weyl. Os nós de Weyl são monopolos da curvatura de Berry e são robustos sob perturbações genéricas. As quasipartículas próximas aos nodos de Weyl são análogas aos férmions de Weyl na física de alta energia; eles exibem dispersão linear e quiralidade bem definida.

Em um novo artigo publicado na eLight, uma equipe de cientistas liderada pelo professor Shanhui Fan, da Universidade de Stanford, revisou os conceitos básicos e as respostas ópticas dos semimetais de Weyl.

A topologia não trivial dos semimetais de Weyl leva a muitas propriedades eletrônicas, magnéticas, térmicas e ópticas incomuns. Essas características intrigantes têm sido extensivamente estudadas na literatura. Além desses interesses fundamentais, os semimetais de Weyl também podem abrir novas oportunidades em aplicações práticas. Por exemplo, aplicações fotônicas incluem isoladores e circuladores ópticos compactos, detectores de momento angular orbital, geração de harmônicos de ordem superior e emissores térmicos não recíprocos. No entanto, essa exploração orientada a aplicativos ainda está em um estágio inicial, o que requer mais esforços conjuntos de cientistas e engenheiros.

Os semimetais de Weyl são uma classe especial de semimetais. Eles exibem propriedades comuns de semimetais, bem como algumas características únicas. De acordo com a teoria das bandas, os sólidos podem ser classificados como isolantes, semicondutores, semimetais e metais. Um isolante ou um semicondutor tem um gap entre as bandas de valência e de condução; o gap é mais significativo para um isolante do que para um semicondutor. Um semimetal tem uma sobreposição mínima entre as bandas de condução e valência e uma densidade desprezível de estados no nível de Fermi. Um metal tem uma banda de condução parcialmente preenchida e uma densidade apreciável de estados no nível de Fermi.

Os pesquisadores fornecem suas perspectivas sobre trabalhos futuros sobre o tema emergente da fotônica com base nos semimetais de Weyl. Até agora, a maioria dos trabalhos sobre semimetais de Weyl se concentra na nova física. Os engenheiros têm enormes desafios e oportunidades para tornar esses efeitos físicos úteis de forma prática.

Existem muitas oportunidades, incluindo a síntese de semimetais Weyl de alta qualidade e grande área e a fabricação de dispositivos fotônicos baseados em materiais semimetálicos Weyl. Outras opções incluem o projeto de estruturas fotônicas para melhorar as interações luz-matéria em semimetais de Weyl e gerenciamento de fótons para melhorar a absorção de luz e fotocorrentes em semimetais de Weyl. De fato, muitos esforços precisam ser realizados para construir dispositivos práticos a partir de semimetais de Weyl.

eLuz

10.1186/s43593-022-00036-w

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