Revisión de la fotónica basada en semimetales de Weyl

Light Publishing Center, Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun, CAS

imagen: (a) Semimetales convencionales, (b) Semimetales de Weyl.ver más

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

Los semimetales de Weyl son materiales topológicos cuyas excitaciones de baja energía obedecen a la ecuación de Weyl. En un semimetal de Weyl, las bandas de conducción y valencia se tocan en puntos discretos en el espacio de momento llamados nodos de Weyl. Los nodos de Weyl son monopolos de la curvatura de Berry y son robustos ante perturbaciones genéricas. Las cuasipartículas cerca de los nodos de Weyl son análogas a los fermiones de Weyl en la física de alta energía; exhiben dispersión lineal y quiralidad bien definida.

En un nuevo artículo publicado en eLight, un equipo de científicos dirigido por el profesor Shanhui Fan de la Universidad de Stanford revisó los conceptos básicos y las respuestas ópticas de los semimetales de Weyl.

La topología no trivial de los semimetales de Weyl conduce a muchas propiedades electrónicas, magnéticas, térmicas y ópticas inusuales. Estas características intrigantes han sido ampliamente estudiadas en la literatura. Además de estos intereses fundamentales, los semimetales de Weyl también pueden generar nuevas oportunidades en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, las aplicaciones fotónicas incluyen circuladores y aisladores ópticos compactos, detectores de momento angular orbital, generación de armónicos de orden superior y emisores térmicos no recíprocos. Sin embargo, dicha exploración orientada a la aplicación aún se encuentra en una etapa temprana, lo que requiere más esfuerzos conjuntos de científicos e ingenieros.

Los semimetales Weyl son una clase especial de semimetales. Exhiben propiedades comunes de los semimetales, así como algunas características únicas. Según la teoría de bandas, los sólidos se pueden clasificar en aislantes, semiconductores, semimetales y metales. Un aislante o un semiconductor tiene una banda prohibida entre las bandas de valencia y conducción; la brecha de banda es más significativa para un aislante que para un semiconductor. Un semimetal tiene una superposición mínima entre las bandas de conducción y valencia y una densidad despreciable de estados en el nivel de Fermi. Un metal tiene una banda de conducción parcialmente llena y una densidad de estados apreciable en el nivel de Fermi.

Los investigadores brindan su perspectiva sobre trabajos futuros sobre el tema emergente de la fotónica basada en semimetales de Weyl. Hasta ahora, la mayoría de los trabajos sobre los semimetales de Weyl se centran en la física novedosa. Los ingenieros tienen enormes desafíos y oportunidades para hacer que estos efectos físicos sean útiles en la práctica.

Hay muchas oportunidades, incluida la síntesis de semimetales Weyl de alta calidad y de gran superficie y la fabricación de dispositivos fotónicos basados ​​en materiales semimetálicos Weyl. Otras opciones incluyen el diseño de estructuras fotónicas para mejorar las interacciones luz-materia en los semimetales de Weyl y la gestión de fotones para mejorar la absorción de luz y las fotocorrientes en los semimetales de Weyl. De hecho, se deben realizar muchos esfuerzos para construir dispositivos prácticos a partir de semimetales de Weyl.

eLuz

10.1186/s43593-022-00036-w

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