Weyl Points and Fermi Arc Surface States in a Self-assemblable Zinc-Blende Photonic Crystal

La luce di solito viaggia in linea retta, ma quando si muove attraverso un materiale appositamente progettato chiamato cristallo fotonico, il suo comportamento cambia drasticamente. Questi cristalli sono composti da schemi ripetitivi di materiali diversi che costringono la luce a muoversi in modi specifici, creando un paesaggio in cui certi colori di luce sono proibiti dal passare. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di costruire queste strutture per controllare la luce con estrema precisione, in modo simile a come i semiconduttori controllano l'elettricità. Negli ultimi anni, i fisici hanno scoperto che questi paesaggi luminosi possono possedere una qualità nascosta nota come topologia. Questa è una proprietà che rende determinati stati della luce incredibilmente robusti, il che significa che possono fluire attorno agli ostacoli o ai difetti senza disperdersi o perdere energia. Nei cristalli tridimensionali, la manifestazione più affascinante di questo è un punto in cui due bande di energia si incrociano, creando un nodo unico nel tessuto del comportamento della luce. Quando ciò accade, la superficie del cristallo sviluppa canali speciali che collegano questi punti di incrocio, permettendo alla luce di viaggiare lungo la superficie in un modo che è immune al caos che di solito interrompe le onde.

Per molto tempo, creare queste caratteristiche topologiche in un cristallo tridimensionale è stato un problema di produzione. Le strutture richieste sono così piccole e intricate che costruirle con strumenti tradizionali, che scavano via il materiale strato dopo strato, diventa impossibile alla scala della luce visibile. L'unico modo per realizzare un oggetto così complesso a questa scala sembrava essere quello di lasciare che si costruisse da solo, usando minuscole particelle che si incastrano naturalmente nella forma corretta. Tuttavia, un grande ostacolo rimaneva: le forme specifiche che le particelle formano naturalmente quando si auto-assemblano sono solitamente troppo simmetriche per supportare queste caratteristiche topologiche. Per ottenere il comportamento desiderato, la struttura deve mancare di un tipo specifico di simmetria speculare, una condizione che la natura non aveva ancora fornito in un cristallo auto-assemblato.

Un team di ricercatori della Pennsylvania State University e della New York University ha ora proposto un modo per superare questa barriera. Hanno progettato un nuovo tipo di struttura cristallina basata su un modello noto come zincoblenda, che è una variante della struttura del diamante. Mentre un normale cristallo di diamante è composto da blocoli costruttivi identici, i ricercatori hanno capito che se avessero usato due diverse dimensioni di particelle nello stesso schema, avrebbero potuto rompere la necessaria simmetria. Hanno proposto di utilizzare minuscole particelle a forma di tetraedro, ciascuna coperta da piccole patch appiccicose che agiscono come il Velcro molecolare. Mescolando particelle grandi con altre leggermente più piccole, e assicurandosi che le patch appiccicose siano posizionate correttamente, le particelle si auto-assemblerebbero naturalmente in un reticolo zincoblenda. Questa specifica disposizione manca della simmetria speculare che di solito impedisce la formazione di caratteristiche topologiche, permettendo teoricamente al cristallo di ospitare gli elusivi punti di incrocio e i speciali canali superficiali.

Per verificare che questa idea funzionasse, i ricercatori hanno eseguito simulazioni informatiche dettagliate. Hanno prima modellato il passaggio della luce attraverso un cristallo fatto di queste particelle, ma hanno scoperto che i materiali che avevano pianificato di usare non erano abbastanza densi da creare i necessari gap nei livelli di energia della luce. Per risolvere il problema, hanno simulato un processo in cui gli spazi vuoti tra le particelle vengono riempiti con silicio, un materiale che piega la luce molto più fortemente. Questo crea una struttura invertita dove le particelle diventano buchi in un blocco di silicio. Le simulazioni hanno mostrato che questo cristallo zincoblenda riempito di silicio produce effettivamente il punto di incrocio desiderato, dove due bande di energia luminosa si incontrano. Hanno calcolato che questo punto trasporta una specifica carica topologica, confermando che si tratta di un vero punto di Weyl. Inoltre, hanno scoperto che regolando leggermente la dimensione dei fori nel silicio, potevano allargare il gap attorno a questo punto, rendendolo più facile da individuare in un esperimento reale.

I ricercatori hanno poi esaminato cosa sarebbe successo se avessero fatto incidere la luce sulla superficie di questo cristallo. In un esperimento reale, gli scienziati non possono vedere la mappa completa dell'energia luminosa all'interno del cristallo; possono solo vedere come la luce si riflette o passa attraverso dall'esterno. Il team ha simulato questo processo proiettando la mappa di energia interna su una superficie bidimensionale, proprio come un'ombra viene proiettata su un muro. Hanno scoperto che il punto di incrocio speciale rimane visibile in questa proiezione, situandosi chiaramente all'interno di un gap dove non può esistere altra luce. Ancora più importante, le loro simulazioni hanno rivelato una seconda caratteristica, ancora più eccitante: un percorso speciale di luce che esiste solo sulla superficie del cristallo. Questo percorso, noto come arco di Fermi, collega il punto di incrocio topologico a un altro punto di carica opposta. Le simulazioni hanno mostrato che questo percorso superficiale è estremamente nitido e distinto, il che significa che sarebbe facile da rilevare con l'attrezzatura standard da laboratorio. A differenza di molte altre onde superficiali che perdono energia nell'aria e svaniscono, questa rimane strettamente confinata alla superficie, rendendola altamente stabile e osservabile.

Infine, il team ha dovuto assicurarsi che questa complessa struttura potesse essere effettivamente costruita dalle particelle stesse. Hanno eseguito simulazioni di dinamica molecolare, che tracciano come migliaia di queste minuscole particelle si muovono e interagiscono sotto l'influenza della gravità e delle loro patch appiccicose. Hanno impostato le particelle affinché avessero il rapporto di dimensione e la geometria delle patch richiesti per il modello zincoblenda. La simulazione ha mostato che, mentre le particelle si assestavano, si legavano naturalmente tra loro e formavano molteplici piccoli cristalli della struttura corretta. Le particelle non si sono incastrate nelle forme errate; invece, si sono organizzate nel reticolo desiderato con alta precisione. I ricercatori hanno confermato questo analizzando le distanze tra le particelle nella struttura finale simulata, che corrispondeva alla disposizione perfetta di un cristallo zincoblenda.

Questo lavoro suggerisce una via chiara per la creazione di cristalli fotonici topologici tramite auto-assemblaggio. Combinando un design intelligente che rompe la simmetria con un metodo realistico di costruzione dal basso verso l'alto, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare un materiale che supporta questi robusti canali superficiali nello spettro del visibile e del vicino infrarosso. La struttura proposta non richiede complessi rivestimenti esterni per mantenere stabili le onde superficiali, e le caratteristiche sono abbastanza grandi da essere viste con la tecnologia attuale. Se questo design potrà essere realizzato in un laboratorio, fornirà una nuova e potente piattaforma per studiare come la luce si comporta in ambienti tridimensionali complessi, portando potenzialmente a nuovi modi per controllare la luce che siano immuni a difetti e disordine.