Optical Tamm states-induced tunable triple-band spin-dependent near-perfect absorption in a magnetic Weyl semimetal-Fibonacci heterostructure

In der Welt von Licht und Materie suchen Wissenschaftler schon lange nach einem Weg, Licht basierend auf seinem „Spin“ zu sortieren – einer fundamentalen Eigenschaft, die Lichtwellen dazu bringt, sich entweder nach links oder nach rechts zu drehen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für die nächste Generation des Computings und der Kommunikation, bei der Informationen durch die Richtung dieser Drehung statt nur durch die Intensität des Strahls übertragen werden könnten. Traditionell erforderte das Erreichen einer solchen Trennung sperrige Ausrüstungen und starke externe Magnete, um das Licht dazu zu zwingen, sich auf eine bestimmte Weise zu verhalten. Einem neuen Typ von Materialien, den magnetischen Weyl-Semimetallen, bietet jedoch ein anderer Weg. Dies sind feste Kristalle, die aufgrund ihrer einzigartigen internen Struktur von Natur aus einen magnetähnlichen Effekt für Elektronen erzeugen, ohne dass äußere Hilfe nötig ist. Diese intrinsische Eigenschaft ermöglicht es ihnen, unterschiedlich mit linksdrehendem und rechtsdrehendem Licht zu interagieren, selbst in einer völlig magnetfreien Umgebung. Die Herausforderung bestand darin, dass diese Materialien zwar exzellent darin sind, zwischen den beiden Arten von Licht zu unterscheiden, aber nicht besonders gut darin, es einzufangen oder zu absorbieren. Um nützliche Geräte zu bauen, müssen Forscher einen Weg finden, das Licht lange genug im Material einzufangen, um es zu absorbieren, und sie müssen dies für mehrere Farben des Lichts gleichzeitig tun, nicht nur für eines.

Ein Forschungsteam hat nun eine Lösung vorgeschlagen, die diese magnetischen Kristalle mit einem speziell entwickelten Stapel transparenter Schichten kombiniert, um ein Gerät zu erschaffen, das nahezu das gesamte einfallende Licht bei drei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig absorbiert. Die von ihnen entworfene Struktur platziert einen dünnen Film des magnetischen Materials auf eine Sequenz von dielektrischen Schichten, die nach einer als Fibonacci-Folge bekannten Anordnung strukturiert sind. Dieses Muster ist nicht zufällig und auch keine einfache, sich wiederholende Schleife; stattdessen folgt es einer mathematischen Regel, bei der die Anordnung der Schichten in einer Weise wächst, die eine selbstähnliche, fraktalartige Struktur erzeugt. Wenn Licht auf diesen Stapel trifft, wird es in einer spezifischen Zone zwischen dem magnetischen Film und dem geschichteten Muster gefangen, einem Phänomen, das als optischer Tamm-Zustand bekannt ist. Man kann sich das wie ein Musikinstrument vorstellen, bei dem der Korpus es ermöglicht, perfekt auf drei spezifische Töne gleichzeitig zu resonieren, statt nur auf einen. In diesem Fall sind die „Töne“ Lichtfrequenzen im mittleren bis fernen Infrarotbereich und das „Instrument“ ist der konstruierte Schichtstapel.

Die Forscher nutzten fortschrittliche Computersimulationen, um zu modellieren, wie sich diese Struktur verhält, wenn sie von Licht getroffen wird. Sie fanden heraus, dass das Gerät fast das gesamte auftreffende Licht erfolgreich absorbiert, jedoch mit einer bemerkenswerten Wendung: Es absorbiert linksdrehendes Licht und rechtsdrehendes Licht bei leicht unterschiedlichen Frequenzen. Das bedeutet, dass das Gerät in jedem Moment wie ein perfekter Schwamm für eine Art von Spin fungiert, während es die andere Art durchlässt oder reflektiert. Diese Trennung geschieht natürlich über drei verschiedene Bänder des Spektrums und schafft effektiv drei unabhängige Kanäle für die Informationsverarbeitung. Die Studie zeigt, dass die Position und die Stärke dieser Absorptionspeaks durch die Anpassung der physikalischen Eigenschaften der Materialien fein abgestimmt werden können. Beispielsweise verschiebt das Ändern des internen Abstands der magnetischen Atome oder des Energieniveaus der Elektronen innerhalb des Kristalls die Frequenzen, bei denen die Absorption stattfindet. Ebenso ermöglicht das Ändern der Dicke der Zwischenschicht oder des Brechungsindex der Materialien im Stapel den Wissenschaftlern, die Absorption hoch- oder runterzuregeln oder den gesamten Satz von drei Kanälen in einen anderen Teil des Spektrums zu verschieben.

Einer der bedeutendsten Befunde ist, dass die Forscher die drei Absorptionsbänder mithilfe unterscheidbarer Parameter steuern können, die auf das System als Ganzes wirken. Durch die Abstimmung der Weyl-Knoten-Separation, des Fermi-Niveaus oder der Dicke der dielektrischen Schicht können sie die Resonanzfrequenz und die Absorptionsintensität der drei Bänder unabhängig voneinander anpassen. Die Schichten mit hohem Brechungsindex in dem Stapel erwiesen sich als besonders empfindlich, wobei winzige Änderungen in der Dicke zu großen Verschiebungen der Lichtfrequenzen führten, während andere Schichten sanftere Anpassungen erlaubten. Diese Form der Kontrolle deutet darauf an, dass das Design dazu verwendet werden könnte, kompakte, integrierte Geräte zu bauen, die mehrere Informationsströme auf Basis des Spins parallel verarbeiten. Im Gegensatz zu älteren Designs, die nur einen einzigen Lichtkanal verwalten konnten, durchbricht dieser Ansatz diese Einschränkung, indem er die komplexe, mehrschichtige Architektur nutzt, um mehrere Resonanzen gleichzeitig zu unterstützen. Die Arbeit zeigt, dass durch die Kombination der intrinsischen magnetischen Eigenschaften von Weyl-Semimetallen mit den einzigartigen Lichtfangfähigkeiten von quasi-periodischen Strukturen ein System geschaffen werden kann, das sowohl hocheffizient als auch hochgradig abstimmbar ist, was den Weg für anspruchsvollere spinbasierte photonische Technologien ebnet.