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

Licht reist gewoonlijk in rechte lijnen, maar wanneer het door een speciaal ontworpen materiaal beweegt dat een fotonisch kristal wordt genoemd, verandert het gedrag drastisch. Deze kristallen zijn gemaakt van herhalende patronen van verschillende materialen die licht dwingen om op specifieke manieren te bewegen, waardoor een landschap ontstaat waarin bepaalde kleuren licht verboden zijn om erdoorheen te gaan. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze structuren te bouwen om licht met extreme precisie te beheersen, vergelijkbaar met hoe halfgeleiders elektriciteit beheersen. In de afgelopen jaren ontdekten natuurkundigen dat deze lichtlandschappen een verborgen kwaliteit kunnen bezitten die bekend staat als topologie. Dit is een eigenschap die bepaalde toestanden van licht ongelooflijk robuust maakt, wat betekent dat ze rond obstakels of defecten kunnen stromen zonder te verstrooien of energie te verliezen. In driedimensionale kristallen is de meest fascinerende manifestatie hiervan een punt waar twee energiebanden elkaar kruisen, wat een unieke knoop creëert in het weefsel van het gedrag van het licht. Wanneer dit gebeurt, ontwikkelt het oppervlak van het kristal speciale kanalen die deze kruispunten verbinden, waardoor licht zich langs het oppervlak kan voortbewegen op een manier die immuun is voor de chaos die golven gewoonlijk verstoort.

Een lange tijd was het creëren van deze topologische kenmerken in een driedimensionaal kristal een uitdaging van fabricage. De vereiste structuren zijn zo klein en ingewikkeld dat het bouwen ervan met traditionele gereedschappen, die materiaal laag voor laag wegsnijden, onmogelijk wordt op de schaal van zichtbaar licht. De enige manier om zo'으로 complex object op deze schaal te maken, leek het te laten bouwen door zichzelf, met behulp van minuscule deeltjes die van nature in de juiste vorm aan elkaar klikken. Er bleef echter een grote hindernis over: de specifieke vormen die deeltjes van nature vormen tijdens zelfassemblage zijn meestal te symmetrisch om dergelijke topologische kenmerken te ondersteunen. Om het gewenste gedrag te krijgen, moet de structuur een specifieke soort spiegelsymmetrie missen, een voorwaarde die de natuur nog niet in een zelfgeassembleerd kristal had geboden.

Een team onderzoekers van Pennsylvania State University en New York University heeft nu een manier voorgesteld om deze barrière te overwinnen. Ze ontwierpen een nieuw type kristalstructuur gebaseerd op een patroon dat bekend staat als zinkblende, wat een variatie is op de diamantstructuur. Terwijl een standaard diamantkristal wordt gemaakt van identieke bouwstenen, realiseerden de onderzoekers zich dat als ze twee verschillende groottes deeltjes in hetzelfde patroon zouden gebruiken, ze de noodzakelijke symmetrie konden breken. Ze stelden voor om minuscule, tetraëdervormige deeltjes te gebruiken, elk bedekt met kleine plakkerige patches die werken als moleculaire klittenband. Door grote deeltjes te mengen met iets kleinere deeltjes, en ervoor te zorgen dat de plakkerige patches correct zijn gepositioneerd, zouden de deeltjes zich van nature assembleren in een zinkblende-rooster. Deze specifieke arrangement mist de spiegelsymmetrie die normaal gesproken voorkomt dat topologische kenmerken ontstaan, wat theoretisch de kristal in staat stelt de ongrijpbare kruispunten en de speciale oppervlaktekanalen te huisvesten.

Om te verifiëren of dit idee zou werken, voerden de onderzoekers gedetailleerde computersimulaties uit. Ze modelleerden eerst het licht dat door een kristal passeert dat gemaakt is van deze deeltjes, maar ze kwamen erachter dat de materialen die ze van plan waren te gebruiken niet dicht genoeg waren om de noodzakelijke openingen in de energieniveaus van het licht te creëren. Om dit op te lossen, simuleerden ze een proces waarbij de lege ruimtes tussen de deeltjes worden gevuld met silicium, een materiaal dat licht veel sterker buigt. Dit creëert een geïnverteerde structuur waarbij de deeltjes gaten worden in een blok silicium. De simulaties toonden aan dat dit met silicium gevulde zinkblende-kristal inderdaad het gewenste kruispunt produceert, waar twee banden van lichtenergie elkaar ontmoeten. Ze berekenden dat dit punt een specifieke topologische lading draagt, wat bevestigt dat het een echte Weyl-punt is. Bovendien ontdekten ze dat door de grootte van de gaten in het silicium licht aan te passen, ze de kloof rond dit punt konden verbreden, waardoor het gemakkelijker te spotten is in een echt experiment.

De onderzoekers keken vervolgens naar wat er zou gebeuren als ze licht op het oppervlak van dit kristal zouden schijnen. In een echt experiment kunnen wetenschappers niet de volledige driedimensionale kaart van de lichtenergie binnen het kristal zien; ze kunnen alleen zien hoe licht van buitenaf reflecteert of erdoorheen gaat. Het team simuleerde dit proces door de interne energiemap op een tweedimensionaal oppervlak te projecteren, net zoals een schaduw op een muur wordt geworpen. Ze ontdekten dat het speciale kruispunt zichtbaar bleef in deze projectie, duidelijk gelegen binnen een kloof waar geen ander licht zou kunnen bestaan. Belangrijker nog, hun simulaties onthulden een tweede, nog opwindender kenmerk: een speciaal pad van licht dat alleen op het oppervlak van het kristal bestaat. Dit pad, bekend als een Fermi-boog, verbindt het topologische kruispunt met een ander punt van tegengestelde lading. De simulaties toonden aan dat dit oppervlakpad extreem scherp en duidelijk is, wat betekent dat het gemakkelijk te detecteren zou zijn met standaard laboratoriumapparatuur. In tegen tegenstelling tot veel andere oppervlaktegolven die energie in de lucht lekken en vervagen, blijft deze nauw verbonden aan het oppervlak, wat hem zeer stabiel en observeerbaar maakt.

Ten slotte moest het team verzekeren dat deze complexe structuur daadwerkelijk gebouwd kon worden door de deeltjes zelf. Ze voerden moleculaire dynamica-simulaties uit, die volgen hoe duizenden van deze minuscule deeltjes bewegen en interageren onder invloed van zwaartekracht en hun plakkerige patches. Ze stelden de deeltjes in om de specifieke grootteverhouding en patchgeometrie te hebben die vereist zijn voor het zinkblende-patroon. De simulatie toonde aan dat naarmate de deeltjes tot rust kwamen, ze zich van nature aan elkaar bonden en meerdere kleine kristallen van de juiste structuur vormden. De deeltjes bleven niet steken in de verkeerde vormen; in plaats daarvan organiseerden ze zich in het gewenste rooster met hoge precisie. De onderzoekers bevestigden dit door de afstanden tussen de deeltjes in de uiteindelijke gesimuleerde structuur te analyseren, die overeenkwamen met de perfecte arrangement van een zinkblende-kristal.

Dit werk suggereert een duidelijke weg vooruit voor het creëren van topologische fotonische kristallen met behulp van zelfassemblage. Door een slim ontwerp te combineren dat symmetrie breekt met een realistische methode om het van onderaf op te bouwen, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om een materiaal te creëren dat deze robuuste oppervlaktekanalen ondersteunt in het zichtbare en nabij-infrarode spectrum. De voorgestelde structuur vereist geen complexe externe bekleding om de oppervlaktegolven stabiel te houden, en de kenmerken zijn groot genoeg om gezien te worden met de huidige technologie. Als dit ontwerp in een laboratorium gerealiseerd kan worden, zou het een krachtig nieuw platform bieden voor het bestuderen van hoe licht zich gedraagt in complexe, driedimensionale omgevingen, wat potentieel kan leiden tot nieuwe manieren om licht te beheersen die immuun zijn voor defecten en wanorde.