Übersicht über Photonik basierend auf Weyl-Halbmetallen

Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: (a) Konventionelle Halbmetalle, (b) Weyl-Halbmetalle.mehr sehen

Bildnachweis: von Cheng Guo, Viktar S. Asadchy, Bo Zhao und Shanhui Fan

Weyl-Halbmetalle sind topologische Materialien, deren niederenergetische Anregungen der Weyl-Gleichung folgen. In einem Weyl-Halbmetall berühren sich die Leitungs- und Valenzbänder an diskreten Punkten im Impulsraum, den sogenannten Weyl-Knoten. Weyl-Knoten sind Monopole der Berry-Krümmung und robust gegenüber generischen Störungen. Die Quasiteilchen in der Nähe der Weyl-Knoten sind analog zu Weyl-Fermionen in der Hochenergiephysik; Sie weisen eine lineare Dispersion und eine wohldefinierte Chiralität auf.

In einem neuen, in eLight veröffentlichten Artikel hat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Shanhui Fan von der Stanford University die grundlegenden Konzepte und optischen Reaktionen von Weyl-Halbmetallen untersucht.

Die nichttriviale Topologie von Weyl-Halbmetallen führt zu vielen ungewöhnlichen elektronischen, magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften. Diese faszinierenden Merkmale wurden in der Literatur ausführlich untersucht. Neben diesen grundlegenden Interessen könnten Weyl-Halbmetalle auch neue Möglichkeiten für praktische Anwendungen eröffnen. Zu den photonischen Anwendungen gehören beispielsweise kompakte optische Isolatoren und Zirkulatoren, Bahndrehimpulsdetektoren, die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung und nichtreziproke thermische Emitter. Allerdings befindet sich eine solche anwendungsorientierte Erforschung noch in einem frühen Stadium, was weitere gemeinsame Anstrengungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren erfordert.

Weyl-Halbmetalle sind eine besondere Klasse von Halbmetallen. Sie weisen gemeinsame Eigenschaften von Halbmetallen sowie einige einzigartige Eigenschaften auf. Nach der Bandtheorie können Festkörper in Isolatoren, Halbleiter, Halbmetalle und Metalle eingeteilt werden. Ein Isolator oder Halbleiter weist eine Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband auf; Die Bandlücke ist für einen Isolator von größerer Bedeutung als für einen Halbleiter. Ein Halbmetall hat eine minimale Überlappung zwischen Leitungs- und Valenzband und eine vernachlässigbare Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau. Ein Metall hat ein teilweise gefülltes Leitungsband und eine beträchtliche Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau.

Die Forscher geben ihren Ausblick auf zukünftige Arbeiten zum aufstrebenden Thema der Photonik auf Basis von Weyl-Halbmetallen. Bisher konzentrieren sich die meisten Arbeiten zu Weyl-Halbmetallen auf neuartige Physik. Ingenieure stehen vor enormen Herausforderungen und Möglichkeiten, diese physikalischen Effekte praktisch nutzbar zu machen.

Es gibt viele Möglichkeiten, darunter die Synthese hochwertiger und großflächiger Weyl-Halbmetalle und die Herstellung photonischer Geräte auf Basis von Weyl-Halbmetallmaterialien. Weitere Optionen umfassen den Entwurf photonischer Strukturen zur Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkungen in Weyl-Halbmetallen und das Photonenmanagement zur Verbesserung der Lichtabsorption und der Photoströme in Weyl-Halbmetallen. Tatsächlich müssen viele Anstrengungen unternommen werden, um praktische Geräte aus Weyl-Halbmetallen zu konstruieren.

eLight

10.1186/s43593-022-00036-w

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