ワイル半金属に基づくフォトニクスのレビュー

Light Publishing Center、長春光学研究所、精密機械物理学、CAS

画像: (a) 従来の半金属、(b) ワイル半金属。もっと見る

クレジット: Cheng Guo、Viktar S. Asadchy、Bo Zhao、Shanhui Fan 著

ワイル半金属は、低エネルギー励起がワイル方程式に従うトポロジカル材料です。 ワイル半金属では、伝導帯と価電子帯はワイルノードと呼ばれる運動量空間内の離散点で接触します。 ワイル節点はベリー曲率の単極子であり、一般的な摂動の下でも堅牢です。 ワイルノード近くの準粒子は、高エネルギー物理学におけるワイルフェルミ粒子に似ています。 それらは線形分散と明確なキラリティーを示します。

eLight に掲載された新しい論文の中で、スタンフォード大学の Shanhui Fan 教授率いる科学者チームは、ワイル半金属の基本概念と光学応答をレビューしました。

ワイル半金属の自明ではないトポロジーは、多くの異常な電子的、磁気的、熱的、光学的特性をもたらします。 これらの興味深い特徴は文献で広く研究されています。 これらの基本的な関心に加えて、ワイル半金属は実用化における新たな機会を可能にする可能性もあります。 たとえば、フォトニックアプリケーションには、コンパクトな光アイソレータおよびサーキュレータ、軌道角運動量検出器、高次高調波発生、および非相反熱エミッタが含まれます。 ただし、このようなアプリケーション指向の探査はまだ初期段階にあり、科学者とエンジニアによるさらなる共同努力が必要です。

ワイル半金属は、特殊な種類の半金属です。 これらは、半金属の共通の特性だけでなく、いくつかのユニークな特性も示します。 バンド理論によれば、固体は絶縁体、半導体、半金属、金属に分類できます。 絶縁体または半導体には、価電子帯と伝導帯の間にバンドギャップがあります。 バンドギャップは、半導体よりも絶縁体の方が大きくなります。 半金属は、伝導帯と価電子帯の重なりが最小限であり、フェルミレベルでの状態密度は無視できます。 金属は、部分的に満たされた伝導帯と、フェルミレベルでかなりの状態密度を持っています。

研究者らは、ワイル半金属に基づくフォトニクスという新たなテーマに関する将来の研究についての見通しを示しています。 これまでのところ、ワイル半金属に関する研究のほとんどは新しい物理学に焦点を当てています。 エンジニアには、これらの物理的効果を実用化するための大きな課題と機会があります。

高品質で大面積のワイル半金属の合成やワイル半金属材料に基づくフォトニックデバイスの製造など、多くの機会があります。 その他のオプションには、ワイル半金属における光と物質の相互作用を強化するためのフォトニック構造の設計や、ワイル半金属における光吸収と光電流を強化するための光子管理が含まれます。 実際、ワイル半金属から実用的なデバイスを構築するには多くの努力が必要です。

eライト

10.1186/s43593-022-00036-w

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