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

Nel mondo della luce e della materia, gli scienziati cercano da tempo un modo per smistare la luce in base al suo "spin", una proprietà fondamentale che fa sì che le onde luminose ruotino o verso sinistra o verso destra. Questa capacità è cruciale per la prossima generazione di informatica e comunicazione, dove l'informazione potrebbe essere trasportata dalla direzione di questa rotazione piuttosto che solo dall'intensità del fascio. Tradizionalmente, ottenere questo tipo di separazione richiedeva apparecchiature ingombranti e forti magneti esterni per costringere la luce a comportarsi in un certo modo. Tuttavia, una nuova classe di materiali noti come semimetalli di Weyl magnetici offre una strada diversa. Questi sono cristalli solidi che, grazie alla loro struttura interna unica, creano naturalmente un effetto di tipo magnetico per gli elettroni senza bisogno di alcun aiuto esterno. Questa proprietà intrinseca permette loro di interagire in modo diverso con la luce che ruota a sinistra e quella che ruota a destra, anche in un ambiente completamente privo di magneti. La sfida è stata che, sebbene questi materiali siano eccellenti nel distinguere tra i due tipi di luce, non sono molto bravi a catturarla o assorbirla. Per costruire dispositivi utili, i ricercatori hanno bisogno di un modo per intrappolare la luce all'interno del materiale abbastanza a lungo da poterla assorbire, e devono farlo per più colori di luce contemporaneamente, non solo per uno.

Un team di ricercatori ha ora proposto una soluzione che combina questi cristalli magnetici con una pila di strati trasparenti appositamente progettata per creare un dispositivo capace di assorbire quasi tutta la luce incidente a tre diverse frequenze simultaneamente. La struttura che hanno progettato posiziona un sottile film del materiale magnetico sopra una sequenza di strati dielettrici disposti secondo un modello noto come sequenza di Fibonacci. Questo schema non è casuale, né è un semplice ciclo ripetitivo; segue invece una regola matematica in cui la disposizione degli strati cresce in modo da creare una struttura autosimilare, di tipo frattale. Quando la luce colpisce questa pila, viene intrappolata in una zona specifica tra il film magnetico e il modello a strati, un fenomeno noto come stato di Tamm ottico. Pensate a uno strumento musicale in cui la forma del corpo permette di risuonare perfettamente a tre note specifiche contemporaneamente, anziché a una sola. In questo caso, le "note" sono frequenze di luce nell'intervallo del medio e lontano infrarosso, e lo "strumento" è la pila di strati ingegnerizzata.

I ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer avanzate per modellare il comportamento di questa struttura quando colpita dalla luce. Hanno scoperto che il dispositivo assorbe con successo quasi tutta la luce che lo colpisce, ma con una svolta sorprendente: assorbe la luce che ruota a sinistra e quella che ruota a destra a frequenze leggermente diverse. Ciò significa che, in qualsiasi momento, il dispositivo agisce come una spugna perfetta per un tipo di spin, lasciando passare o riflettere l'altro. Questa separazione avviene naturalmente attraverso tre bande dello spettro, creando efficacemente tre canali indipendenti per l'elaborazione delle informazioni. Lo studio dimostra che la posizione e l'intensità di questi picchi di assorbimento possono essere finemente regolate aggiustando le proprietà fisiche dei materiali. Ad esempio, cambiando la spaziatura interna degli atomi magnetici o il livello energetico degli elettroni all'interno del cristallo, si spostano le frequenze in cui avviene l'assorbimento. Allo stesso modo, alterando lo spessore dello strato spaziatore o l'indice di rifrazione dei materiali nella pila, è possibile regolare l'assorbimento verso l'alto o verso il basso, o spostare l'intero insieme dei tre canali verso una parte diversa dello spettro.

Uno dei risultati più significativi è che i ricercatori possono controllare le tre bande di assorbimento utilizzando parametri distinti che agiscono sul sistema nel suo complesso. Regolando la separazione dei nodi di Weyl, il livello di Fermi o lo spessore dello strato dielettrico, possono regolare indipendentemente la frequenza di risonanza e l'intensità di assorbimento delle tre bande. Gli strati ad alto indice nella pila si sono rivelati particolarmente sensibili, dove minime variazioni di spessore hanno prodotto grandi spostamenti nelle frequenze luminose, mentre altri strati permettevano regolazioni più delicate. Questo livello di controllo suggerisce che il design potrebbe essere utilizzato per costruire dispositivi compatti e integrati in grado di gestire molteplici flussi di informazioni basate sullo spin in parallelo. A differenza dei vecchi progetti che potevano gestire solo un singolo canale di luce, questo approccio supera tale limite utilizzando l'architettura complessa e multistrato per supportare più risonanze contemporaneamente. Il lavoro dimostra che combinando le proprietà magnetiche intrinseche dei semimetalli di Weyl con le uniche capacità di intrappolamento della luce delle strutture quasi-periodiche, è possibile creare un sistema che sia altamente efficiente e altamente regolabile, aprendo la strada a tecnologie fotoniche basate sullo spin più sofisticate.