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

在光与物质的世界里，科学家们长期以来一直试图寻找一种能够根据光的“自旋”对其进行分类的方法。自旋是光的一种基本属性，它使光波要么向左扭转，要么向右扭转。这种能力对于下一代计算和通信至关重要，因为在这些领域中，信息可以由这种扭转的方向而非仅仅由光束的强度来承载。传统上，实现这种分离需要庞大的设备和强大的外部磁场来强制光表现出特定的行为。然而，一类被称为磁性外尔半金属（magnetic Weyl semimetals）的新型材料提供了一条不同的路径。这些是固体晶体，由于其独特的内部结构，即使在不需要任何外部帮助的情况下，也能自然地产生类似于电子的磁效应。这种内在属性使得它们能够以不同的方式与左旋光和右旋光发生相互作用，甚至在完全无磁的环境中也是如此。挑战在于，虽然这些材料非常擅长区分这两类光，但它们并不擅长捕捉或吸收光。为了制造实用的器件，研究人员需要一种方法将光长时间捕获在材料内部以供吸收，并且他们需要同时对多种颜色的光做到这一点，而不仅仅是一种。

一组研究人员现在提出了一个解决方案，该方案将这些磁性晶体与一种特殊设计的透明层堆叠结合起来，从而创造出一种能够同时吸收三个不同频率内几乎所有入射光的器件。他们设计的结构将一层薄的磁性材料放置在一系列按照斐波那契序列（Fibonacci sequence）排列的介电层之上。这种模式并非随机，也不是简单的循环重复；相反，它遵循一种数学规则，即层的排列方式以一种产生自相似、分形结构的方式增长。当光击中这个堆叠结构时，它会被困在磁性薄膜与分层图案之间的特定区域内，这种现象被称为光学塔姆态（optical Tamm state）。可以将这想象成一种乐器，其琴身形状使其能够同时在三个特定的音符上产生完美共鸣，而不仅仅是一个。在这种情况下，“音符”是中红外到远红外范围内的光频率，而“乐器”则是这种工程化的层堆叠结构。

研究人员使用先进的计算机模拟来建模该结构在受到光冲击时的行为。他们发现，该器件成功吸收了几乎所有射入的光，但有一个显著的转折：它在略微不同的频率下吸收左旋光和右旋光。这意味着在任何给定时刻，该器件都像一块完美的海绵，吸收一种类型的自旋，同时让另一种类型通过或反射。这种分离自然地发生在光谱的三个不同频带中，有效地创建了三个独立的用于处理信息的通道。研究表明，可以通过调整材料的物理特性来精细调节这些吸收峰的位置和强度。例如，改变磁性原子的内部间距或晶体内电子的能级，会改变吸收发生的频率。同样，改变堆叠中间隔层的厚度或折射率，可以让科学家将吸收程度调高或调低，或者将整组三个通道移动到光谱的其他部分。

其中最重要的发现之一是，研究人员可以利用作用于整个系统的不同参数来控制这三个吸收带。通过调节外尔节点（Weyl node）间距、费米能级或介电层厚度，他们可以独立地调节三个频带的共振频率和吸收强度。堆叠中的高折射率层被证明特别敏感，其中厚度的微小变化会导致光频率的巨大偏移，而其他层则允许进行更温和的调整。这种控制水平表明，该设计可用于构建能够并行处理多路自旋信息的紧凑型集成器件。与只能管理单路光通道的旧设计不同，这种方法通过使用复杂的、多层结构的架构，突破了这一限制，从而支持多个共振。这项工作表明，通过将外尔半金属的内在磁特性与准周期结构独特的捕光能力相结合，可以创造出一个既高效又高度可调的系统，为更先进的自旋光子技术铺平了道路。