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

Dans le monde de la lumière et de la matière, les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen de trier la lumière en fonction de son « spin », une propriété fondamentale qui fait que les ondes lumineuses tournoient soit vers la gauche, soit vers la droite. Cette capacité est cruciale pour la prochaine génération d'informatique et de communication, où l'information pourrait être transportée par la direction de cette torsion plutôt que par la seule intensité du faisceau. Traditionnellement, parvenir à une telle séparation nécessitait des équipements encombrants et de puissants aimants externes pour forcer la lumière à se comporter d'une manière spécifique. Cependant, une nouvelle classe de matériaux connus sous le nom de semi-métaux de Weyl magnétiques offre une voie différente. Il s'agit de cristaux solides qui, grâce à leur structure interne unique, créent naturellement un effet de type magnétique pour les électrons sans avoir besoin d'aide extérieure. Cette propriété intrinsèque leur permet d'interagir différemment avec la lumière tournoiant vers la gauche et celle tournoiant vers la droite, même dans un environnement totalement dépourvu de magnétisme. Le défi résidait dans le fait que, bien que ces matériaux soient excellents pour distinguer les deux types de lumière, ils ne sont pas très doués pour la capturer ou l'absorber. Pour construire des dispositifs utiles, les chercheurs ont besoin d'un moyen de piéger la lumière à l'intérieur du matériau assez longtemps pour qu'elle soit absorbée, et ils doivent le faire pour plusieurs couleurs de lumière simultanément, et non pas une seule.

Une équipe de chercheurs a maintenant proposé une solution qui combine ces cristaux magnétiques avec un empilement de couches transparentes spécialement conçu pour créer un dispositif capable d'absorber la quasi-totalité de la lumière entrante à trois fréquences distinctes simultanément. La structure qu'ils ont conçue place un film mince du matériau magnétique sur une séquence de couches diélectriques disposées selon un motif connu sous le nom de séquence de Fibonacci. Ce motif n'est pas aléatoire, ni une simple boucle répétitive ; il suit une règle mathématique où l'arrangement des couches croît de manière à créer une structure auto-similaire, de type fractale. Lorsque la lumière frappe cet empilement, elle se retrouve piégée dans une zone spécifique entre le film magnétique et le motif de couches, un phénomène connu sous le nom d'état de Tamm optique. Imaginez cela comme un instrument de musique dont la forme du corps permettrait de résonner parfaitement sur trois notes spécifiques à la fois, plutôt qu'une seule. Dans ce cas, les « notes » sont des fréquences de lumière dans le domaine de l'infrarouge moyen à lointain, et l'« instrument » est l'empilement de couches conçu.

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques avancées pour modéliser la façon dont cette structure se comporterait lorsqu'elle est frappée par la lumière. Ils ont découvert que le dispositif absorbe avec succès la quasi-totalité de la lumière qui l'atteint, mais avec une particularité remarquable : il absorbe la lumière tournoiant vers la gauche et celle tournoiant vers la droite à des fréquences légèrement différentes. Cela signifie qu'à n'importe quel moment donné, le dispositif agit comme une éponge parfaite pour un type de spin tout en laissant l'autre passer ou se réfléchir. Cette séparation se produit naturellement à travers trois bandes du spectre, créant ainsi trois canaux indépendants pour le traitement de l'information. L'étude montre que la position et l'intensité de ces pics d'absorption peuvent être finement ajustées en modifiant les propriétés physiques des matériaux. Par exemple, changer l'espacement interne des atomes magnétiques ou le niveau d'énergie des électrons au sein du cristal déplace les fréquences où l'absorption se produit. De même, modifier l'épaisseur de la couche d'espacement ou l'indice de réfraction des matériaux de l'empilement permet aux scientifiques de régler l'absorption à la hausse ou à la baisse, ou de déplacer l'ensemble des trois canaux vers une autre partie du spectre.

L'une des découvertes les plus significatives est que les chercheurs peuvent contrôler les trois bandes d'absorption en utilisant des paramètres distincts qui agissent sur l'ensemble du système. En ajustant la séparation des nœuds de Weyl, le niveau de Fermi ou l'épaisseur de la couche diélectrique, ils peuvent ajuster indépendamment la fréquence de résonance et l'intensité d'absorption des trois bandes. Les couches à indice élevé de l'empilement se sont révélées particulièrement sensibles, où de minuscules changements d'épaisseur entraînaient de grands décalages des fréquences lumineuses, tandis que d'autres couches permettaient des ajustements plus doux. Ce niveau de contrôle suggère que la conception pourrait être utilisée pour construire des dispositifs compacts et intégrés capables de gérer plusieurs flux d'informations basés sur le spin en parallèle. Contrairement aux anciens modèles qui ne pouvaient gérer qu'un seul canal de lumière, cette approche lève cette limitation en utilisant l'architecture complexe et multicouche pour supporter plusieurs résonances à la fois. Le travail démontre qu'en combinant les propriétés magnétiques intrinsèques des semi-métaux de Weyl avec les capacités uniques de piégeage de la lumière des structures quasi-périodiques, il est possible de créer un système qui est à la fois hautement efficace et hautement ajustable, ouvrant la voie à des technologies photoniques basées sur le spin plus sophistiquées.