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

En el mundo de la luz y la materia, los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de clasificar la luz basándose en su "espín", una propiedad fundamental que hace que las ondas de luz giren hacia la izquierda o hacia la derecha. Esta capacidad es crucial para la próxima generación de computación y comunicación, donde la información podría transportarse mediante la dirección de este giro en lugar de solo por la intensidad del haz. Tradicionalmente, lograr este tipo de separación requería equipos voluminosos y potentes imanes externos para forzar a la luz a comportarse de una manera específica. Sin embargo, una nueva clase de materiales conocidos como semimetales de Weyl magnéticos ofrece un camino diferente. Estos son cristales sólidos que, debido a su estructura interna única, crean naturalmente un efecto de tipo magnético para los electrones sin necesidad de ayuda externa. Esta propiedad intrínseca les permite interactuar de manera distinta con la luz que gira a la izquierda y la que gira a la derecha, incluso en un entorno completamente libre de magnetismo. El desafío ha sido que, si bien estos materiales son excelentes para distinguir entre los dos tipos de luz, no son muy buenos capturándola o absorbiéndola. Para construir dispositivos útiles, los investigadores necesitan una forma de atrapar la luz dentro del material el tiempo suficiente para que sea absorbida, y necesitan hacer esto para múltiples colores de luz al mismo tiempo, no solo para uno.

Un equipo de investigadores ha propuesto ahora una solución que combina estos cristales magnéticos con una pila de capas transparentes especialmente diseñada para crear un dispositivo capaz de absorber casi toda la luz entrante en tres frecuencias distintas simultáneamente. La estructura que diseñaron coloca una fina película del material magnético sobre una secuencia de capas dieléctricas dispuestas en un patrón conocido como secuencia de Fibonacci. Este patrón no es aleatorio, ni es un bucle de repetición simple; en cambio, sigue una regla matemática donde la disposición de las capas crece de una manera que crea una estructura autosimilar y de tipo fractal. Cuando la luz golpea esta pila, queda atrapada en una zona específica entre la película magnética y el patrón de capas, un fenómeno conocido como estado de Tamm óptico. Piense en esto como un instrumento musical donde la forma del cuerpo permite que resuene perfectamente en tres notas específicas a la vez, en lugar de solo una. En este caso, las "notas" son frecuencias de luz en el rango del infrarrojo medio a lejano, y el "instrumento" es la pila de capas diseñada.

Los investigadores utilizaron simulaciones computacionales avanzadas para modelar cómo se comportaría esta estructura al ser impactada por la luz. Descubrieron que el dispositivo absorbe con éxito casi toda la luz que lo golpea, pero con un giro notable: absorbe la luz que gira a la izquierda y la que gira a la derecha en frecuencias ligeramente diferentes. Esto significa que, en cualquier momento dado, el dispositivo está actuando como una esponja perfecta para un tipo de espín mientras deja que el otro pase o se refleje. Esta separación ocurre naturalmente a través de tres bandas del espectro, creando efectivamente tres canales independientes para procesar información. El estudio muestra que la posición y la fuerza de estos picos de absorción pueden ajustarse finamente modificando las propiedades físicas de los materiales. Por ejemplo, cambiar el espaciamiento interno de los átomos magnéticos o el nivel de energía de los electrones dentro del cristal desplaza las frecuencias donde ocurre la absorción. Del mismo modo, alterar el espesor de la capa espaciadora o el índice de refracción de los materiales en la pila permite a los científicos subir o bajar la absorción, o mover todo el conjunto de tres canales a una parte diferente del espectro.

Uno de los hallazgos más significativos es que los investigadores pueden controlar las tres bandas de absorción utilizando parámetros distintos que actúan sobre el sistema en su totalidad. Al ajustar la separación de los nodos de Weyl, el nivel de Fermi o el espesor de la capa dieléctrica, pueden ajustar independientemente la frecuencia de resonancia y la intensidad de absorción de las tres bandas. Las capas de alto índice en la pila demostraron ser particularmente sensibles, donde cambios diminutos en el espesor resultaron en grandes desplazamientos en las frecuencias de la luz, mientras que otras capas permitieron ajustes más suaves. Este nivel de control sugiere que el diseño podría utilizarse para construir dispositivos compactos e integrados que gestionen múltiples flujos de información basados en el espín en paralelo. A diferencia de los diseños más antiguos que solo podían gestionar un único canal de luz, este enfoque rompe esa limitación mediante el uso de una arquitectura compleja y multicapa para soportar múltiples resonancias a la vez. El trabajo demuestra que, al combinar las propiedades magnéticas intrínsecas de los semimetales de Weyl con las capacidades únicas de captura de luz de las estructuras cuasiperiódicas, es posible crear un sistema que sea tanto altamente eficiente como altamente ajustable, allanando el camino para tecnologías fotónicas basadas en el espín más sofisticadas.