Een exotische toestand van materie die wetenschappers verblindt met zijn elektrische eigenschappen, kan ook ongebruikelijke optische eigenschappen vertonen, zoals blijkt uit een theoretische studie door onderzoekers van A*STAR.

Atomair dunne materialen, zoals grafeen, ontlenen een aantal van hun eigenschappen aan het feit dat elektronen beperkt zijn tot reizen in slechts twee dimensies. Soortgelijke verschijnselen worden ook gezien in sommige driedimensionale materialen, waarin elektronen die zich aan het oppervlak bevinden zich heel anders gedragen dan die in de bulk, bijvoorbeeld topologische isolatoren, waarvan de oppervlakte-elektronen elektriciteit geleiden, hoewel hun bulkelektronen dat niet doen. Onlangs, een andere opwindende klasse van materialen is geïdentificeerd:het topologische halfmetaal.

Het verschil in elektrische eigenschappen van isolator en geleider is te wijten aan de bandgap:een opening tussen de bereiken, of banden, energie die een elektron dat door het materiaal reist kan aannemen. In een isolator, de onderste band zit vol met elektronen en de bandgap is te groot om een ​​stroom te laten vloeien. In een halfmetaal, de onderste band is ook vol, maar de onderste en bovenste banden raken elkaar op sommige punten, waardoor een kleine stroom kan vloeien.

Dit gebrek aan een volledige bandgap betekent dat topologische halfmetalen theoretisch heel andere eigenschappen zouden moeten vertonen dan die van de meer conventionele topologische isolatoren.

Om dit te bewijzen, Li-kun Shi en Justin Song van het A*STAR Institute of High Performance Computing gebruikten een 'effectieve Hamiltoniaanse' benadering om aan te tonen dat de tweedimensionale oppervlaktetoestanden in halfmetalen, bekend als Fermi-bogen, een interactie tussen licht en materie hebben die veel sterker is dan die in andere tweedimensionale systemen zonder tussenruimte, zoals grafeen.

"Typisch, de bulk domineert de materiaalabsorptie, " legt Song uit. "Maar we laten zien dat Dirac-halfmetalen ongebruikelijk zijn omdat ze een zeer optisch actief oppervlak hebben vanwege deze eigenaardige Fermi-boogtoestanden."

Shi en Song analyseerden een prototypisch halfmetaal met een symmetrische bandstructuur waarbij de elektronische banden elkaar op twee plaatsen raken, bekend als Dirac-punten, en voorspelde de sterkte waarmee invallende straling elektronenovergangen induceert van de onderste band naar de bovenste. Ze ontdekten dat oppervlakteabsorptie sterk afhangt van de polarisatie van licht, 100 tegen 1 zijn 000 keer sterker wanneer licht loodrecht - in plaats van parallel - op de rotatieas van het kristal wordt gepolariseerd. Deze sterke anisotropie biedt een manier om de topologische oppervlaktetoestanden van Dirac-halfmetalen optisch te onderzoeken en te onderzoeken.

"Ons doel is om meer onconventionele optica te identificeren die ontstaat als gevolg van Fermi-bogen, " zegt Song. "Topologische halfmetalen kunnen ongebruikelijk opto-elektronisch gedrag vertonen dat verder gaat dan conventionele materialen."