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

No mundo da luz e da matéria, cientistas há muito buscam uma maneira de classificar a luz com base em seu "spin", uma propriedade fundamental que faz com que as ondas de luz girem tanto para a esquerda quanto para a direita. Essa capacidade é crucial para a próxima geração de computação e comunicação, onde a informação poderia ser carregada pela direção desse giro, em vez de apenas pela intensidade do feixe. Tradicionalmente, alcançar esse tipo de separação exigia equipamentos volumosos e fortes ímãs externos para forçar a luz a se comportar de uma determinada maneira. No entanto, uma nova classe de materiais conhecidos como semimetais de Weyl magnéticos oferece um caminho diferente. Estes são cristais sólidos que, devido à sua estrutura interna única, criam naturalmente um efeito de tipo magnético para os elétrons sem precisar de qualquer ajuda externa. Essa propriedade intrínseca permite que eles interajam de forma diferente com a luz que gira para a esquerda e a que gira para a direita, mesmo em um ambiente completamente livre de magnetismo. O desafio tem sido que, embora esses materiais sejam excelentes em distinguir entre os dois tipos de luz, eles não são muito bons em capturá-la ou absorvê-la. Para construir dispositivos úteis, os pesquisadores precisam de uma maneira de prender a luz dentro do material por tempo suficiente para ser absorvida, e precisam fazer isso para múltiplas cores de luz ao mesmo tempo, não apenas uma.

Uma equipe de pesquisadores propôs agora uma solução que combina esses cristais magnéticos com um empilhamento de camadas transparentes especialmente projetado para criar um dispositivo capaz de absorver quase toda a luz incidente em três frequências distintas simultaneamente. A estrutura que eles projetaram coloca um filme fino do material magnético sobre uma sequência de camadas dielétricas dispostas em um padrão conhecido como sequência de Fibonacci. Esse padrão não é aleatório, nem um ciclo simples de repetição; em vez disso, segue uma regra matemática onde o arranjo das camadas cresce de uma forma que cria uma estrutura auto-semelhante, do tipo fractal. Quando a luz atinge esse empilhamento, ela fica presa em uma zona específica entre o filme magnético e o padrão de camadas, um fenômeno conhecido como estado de Tamm óptico. Pense nisso como um instrumento musical onde o formato do corpo permite que ele ressoe perfeitamente em três notas específicas ao mesmo tempo, em vez de apenas uma. Neste caso, as "notas" são frequências de luz na faixa do infravermelho médio ao distante, e o "instrumento" é o empilhamento de camadas projetado.

Os pesquisadores usaram simulações computacionais avançadas para modelar como essa estrutura se comportaria ao ser atingida pela luz. Eles descobriram que o dispositivo absorve com sucesso quase toda a luz que o atinge, mas com uma reviravolta notável: ele absorve a luz que gira para a esquerda e a que gira para a direita em frequências ligeiramente diferentes. Isso significa que, em qualquer momento dado, o dispositivo está agindo como uma esponja perfeita para um tipo de spin enquanto deixa o outro passar ou refletir. Essa separação acontece naturalmente através de três bandas do espectro, criando efetivamente três canais independentes para processamento de informações. O estudo mostra que a posição e a força desses picos de absorção podem ser finamente ajustadas através do ajuste das propriedades físicas dos materiais. Por exemplo, mudar o espaçamento interno dos átomos magnéticos ou o nível de energia dos elétrons dentro do cristal desloca as frequências onde a absorção ocorre. Da mesma forma, alterar a espessura da camada de espaçamento ou o índice de refração dos materiais no empilhamento permite que os cientistas controlem a absorção para cima ou para baixo, ou movam todo o conjunto de três canais para uma parte diferente do espectro.

Uma das descobertas mais significativas é que os pesquisadores podem controlar as três bandas de absorção usando parâmetros distintos que atuam no sistema como um todo. Ao ajustar o afastamento dos nós de Weyl, o nível de Fermi ou a espessura da camada dielétrica, eles podem ajustar independentemente a frequência de ressonância e a intensidade de absorção das três bandas. As camadas de alto índice no empilhamento provaram ser particularmente sensíveis, onde pequenas mudanças na espessura resultaram em grandes deslocamentos nas frequências da luz, enquanto outras camadas permitiam ajustes mais suaves. Esse nível de controle sugere que o design pode ser usado para construir dispositivos compactos e integrados que lidam com múltiplos fluxos de informação baseada em spin em paralelo. Diferente dos designs antigos que só conseguiam gerenciar um único canal de luz, esta abordagem quebra essa limitação ao usar a arquitetura complexa e multicamadas para suportar múltiplas ressonâncias ao mesmo tempo. O trabalho demonstra que, ao combinar as propriedades magnéticas intrínsecas dos semimetais de Weyl com as capacidades únicas de captura de luz de estruturas quase periódicas, é possível criar um sistema que é tanto altamente eficiente quanto altamente ajustável, pavimentando o caminho para tecnologias fotônicas baseadas em spin mais sofisticadas.