Ett exotiskt tillstånd av materia som bländar forskare med dess elektriska egenskaper, kan också uppvisa ovanliga optiska egenskaper, som visas i en teoretisk studie av forskare vid A*STAR.

Atomiskt tunna material, såsom grafen, härleda några av deras egenskaper från det faktum att elektroner är begränsade till att resa i bara två dimensioner. Liknande fenomen ses också i vissa tredimensionella material, där elektroner som är begränsade till ytan beter sig mycket annorlunda än de inom massan - till exempel topologiska isolatorer, vars ytelektroner leder elektricitet även om deras bulkelektroner inte gör det. Nyligen, en annan spännande materialklass har identifierats:den topologiska semimetalen.

Skillnaden i isolator- och ledarelektriska egenskaper beror på bandgapet:ett gap mellan intervallerna, eller band, energi som en elektron som reser genom materialet kan anta. I en isolator, det nedre bandet är fullt av elektroner och bandgapet är för stort för att en ström ska kunna flöda. I en halvmetall, det nedre bandet är också fullt men det nedre och övre bandet vidrör vid vissa punkter, möjliggör flöde av en liten ström.

Denna brist på en fullständig bandgap betyder att topologiska semimetaller teoretiskt sett bör uppvisa mycket olika egenskaper än de hos de mer konventionella topologiska isolatorerna.

För att bevisa detta, Li-kun Shi och Justin Song från A*STAR Institute of High Performance Computing använde en "effektiv Hamiltonian" approximation för att visa att de tvådimensionella yttillstånden i halvmetaller, känd som Fermi bågar, har en ljus-materia interaktion mycket starkare än den som finns i andra gaplösa tvådimensionella system, såsom grafen.

"Vanligtvis, huvuddelen dominerar materialabsorption, "förklarar Song." Men vi visar att Dirac -halvmetaller är ovanliga genom att de har en mycket optiskt aktiv yta på grund av dessa säregna Fermi -bågtillstånd. "

Shi och Song analyserade en proto-typisk halvmetal med en symmetrisk bandstruktur där de elektroniska banden berör på två ställen, känd som Dirac -poäng, och förutsade styrkan med vilken infallande strålning inducerar elektronövergångar från det nedre bandet till det övre. De fann att ytabsorptionen beror starkt på polariseringen av ljus, är 100 till 1, 000 gånger starkare när ljuset polariseras vinkelrätt - snarare än parallellt - med kristallens rotationsaxel. Denna starka anisotropi erbjuder ett sätt att optiskt undersöka och sondera de topologiska ytorna i Dirac -halvmetaller.

"Vårt mål är att identifiera mer okonventionell optik som uppstår på grund av Fermi bågar, "säger Song." Topologiska semimetaller kan vara värd för ovanligt opto-elektroniskt beteende som går utöver konventionella material. "