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

In de wereld van licht en materie zoeken wetenschappers al lang naar een manier om licht te sorteren op basis van zijn "spin", een fundamentele eigenschap die ervoor zorgt dat lichtgolven ofwel naar links of naar rechts draaien. Deze mogelijkheid is cruciaal voor de volgende generatie computers en communicatie, waarbij informatie gedragen kan worden door de richting van deze draaiing in plaats van alleen door de intensiteit van de straal. Traditioneel vereiste het bereiken van een dergelijke scheiding volumineuze apparatuur en sterke externe magneten om het licht te dwingen zich op een specifieke manier te gedragen. Echter, een nieuwe klasse materialen bekend als magnetische Weyl-halfmetalen biedt een ander pad. Dit zijn vaste kristallen die, vanwege hun unieke interne structuur, van nature een magnetisch-achtig effect voor elektronen creëren zonder dat daar externe hulp voor nodig is. Deze intrinsieke eigenschap stelt hen in staat om anders te interageren met linksdraaiend en rechtsdraaiend licht, zelfs in een volledig magneetvrije omgeving. De uitdaging was dat hoewel deze materialen uitstekend zijn in het onderscheiden tussen de twee soorten licht, ze niet erg goed zijn in het opvangen of absorberen ervan. Om bruikbare apparaten te bouwen, moeten onderzoekers een manier vinden om het licht lang genoeg in het materiaal gevangen te houden om geabsorbeerd te worden, en ze moeten dit voor meerdere kleuren licht tegelijkertijd doen, niet slechts voor één.

Een team van onderzoekers heeft nu een oplossing voorgesteld die deze magnetische kristallen combineert met een speciaal ontworpen stapel transparante lagen om een apparaat te creëren dat in staat is om bijna al het inkomende licht bij drie verschillende frequenties tegelijkertijd te absorberen. De structuur die zij ontwierpen plaatst een dunne film van het magnetische materiaal bovenop een opeenvolging van diëlektrische lagen, gerangschikt in een patroon dat bekend staat als een Fibonacci-sequentie. Dit patroon is niet willekeurig, noch is het een simpel herhalend lusje; in plaats daarvan volgt het een wiskundige regel waarbij de ordening van de lagen groeit op een manier die een zelf-gelijkvormige, fractaal-achtige structuur creëvoegt. Wanneer licht op deze stapel valt, raakt het gevangen in een specifieke zone tussen de magnetische film en het gelaagde patroon, een fenomeen dat een optische Tamm-toestand wordt genoemd. Denk hierbij aan een muziekinstrument waarbij de vorm van de kast ervoor zorgt dat het perfect resoneert bij drie specifieke noten tegelijkertijd, in plaats van slechts één. In dit geval zijn de "noten" frequenties van licht in het midden- tot ver-infraroodbereik, en het "instrument" is de ontworagen gelaagde structuur.

De onderzoekers gebruikten geavanceerde computersimulaties om te modelleren hoe deze structuur zou reageren wanneer deze door licht wordt geraakt. Ze ontdekten dat het apparaat succesvol bijna al het licht dat erop valt absorbeert, maar met een opmerkelijke wending: het absorbeert linksdraaiend licht en rechtsdraaiend licht op iets verschillende frequenties. Dit betekent dat het apparaat op elk gegeven moment fungeert als een perfecte spons voor het ene type spin, terwijl het het andere type doorlaat of reflecteert. Deze scheiding vindt vanzelf over drie verschillende banden van het spectrum plaats, waardoor effectief drie onafhankelijke kanalen voor het verwerken van informatie worden gecreëerd. De studie toont aan dat de positie en de sterkte van deze absorptiepieken nauwkeurig kunnen worden afgesteld door de fysieke eigenschappen van de materialen aan te passen. Zo verschuift het veranderen van de interne afstand tussen de magnetische atomen of het energieniveau van de elektronen binnen het kristal de frequenties waar de absorptie plaatsvindt. Op dezelfde wijze stelt het wijzigen van de dikte van de tussenlaag of de brekingsindex van de materialen in de stapel wetenschappers in staat om de absorptie op of af te regelen, of het gehele pakket van drie kanalen naar een ander deel van het spectrum te verplaatsen.

Een van de meest significante bevindingen is dat de onderzoekers de drie absorptiebanden kunnen controleren met onderscheidende parameters die op het systeem als geheel inwerken. Door de Weyl-knoop scheiding, het Fermi-niveau of de dikte van de diëlektrische laag af te stemmen, kunnen zij de resonantiefrequentie en de absorptie-intensiteit van de drie banden onafhankelijk aanpassen. De hoog-index lagen in de stapel bleken bijzonder gevoelig, waarbij minuscule veranderingen in dikte leidden tot grote verschuivingen in de lichtfrequenties, terwijl andere lagen meer geleidelijke aanpassingen mogelijk maakten. Dit niveau van controle suggereert dat het ontwerp kan worden gebruikt om compacte, geïntegreerde apparaten te bouwen die meerdere stromen van spin-gebaseerde informatie parallel verwerken. In tegen tegenstelling tot oudere ontwerpen die slechts één kanaal van licht konden beheren, doorbreekt deze aanpak die beperking door gebruik te maken van de complexe, meerlagige architectuur om meerdere resonanties tegelijkertijd te ondersteunen. Het werk toont aan dat door de intrinsieke magnetische eigenschappen van Weyl-halfmetalen te combineren met de unieke lichtvangende vermogens van quasi-periodieke structuren, het mogelijk is om een systeem te creëren dat zowel zeer efficiënt als zeer afstelbaar is, wat de weg vrijmaakt voor meer geavanceerde spin-gebaseerde fotonische technologieën.