Undvikande exotiska tillstånd som kallas Weyl fermioner bor i vissa halvmetaller. Halvmetaller leder elektricitet som metaller men har andra egenskaper som liknar isolatorer. Weylhalvmetaller har elektroniska tillstånd som påverkas starkt av den underliggande kristallsymmetrin. Denna specifika delmängd av Weyl-halvmetaller uppvisar enorma olinjära optiska svar som härrör från den extrema böjningen (eller krökningen) av elektrontillstånden. Bilden visar denna krökning, med de starkaste positiva och negativa svaren färgade rött och violett, respektive. Funktioner i krökning ses nära speciella punkter som kallas Weyl -noder. Kredit:US Department of Energy
Ingen tidigare teori hade tänkt att svaren skulle bli så stora! Forskare "petade" tre kristaller med ljuspulser. Oväntat, kristallerna uppvisade det största olinjära optiska svaret av någon känd kristall. Svaret var en enorm mängd olika färgat ljus med dubbelt så hög frekvens som pulsen. Dessa kristaller är medlemmar i en ny klass av material som kallas Weyl -halvmetaller.
Detta arbete utmanar vårt tänkande kring optiska svar i Weyl -halvmetaller. Vi förväntade oss att ljuspulser skulle producera olika färgade ljus med dubbelt så hög frekvens men inte så stor respons. Ursprunget till detta gigantiska svar är okänt! Denna studie stimulerar redan utvecklingen av grundläggande nya teorier om dessa svar. Dessa material är lovande för paketgenomträngande sensorer, mörkerglasögon, och andra enheter.
Weyl fermioner är nya partiklar som förutspåddes synas i fysiken med hög energi, men som inte har observerats. Dock, forskare observerade nyligen dessa partiklar som en framväxande egenskap hos elektroner i en unik uppsättning halvmetalliska material. Nyligen genomförda studier har visat att Weyl -halvmetaller uppvisar ett oväntat stort olinjärt optiskt svar. Detta svar ger upphov till den största optiska andra harmoniska genereringseffekten av någon känd kristall. Dessa observationer gjordes i övergångsmetallsystemen:tantal arsenid (TaA), tantalfosfid (TaP), och niobiumarsenid (NbA). A
även om det var klart från symmetrihänsyn att det skulle finnas ett olinjärt svar i dessa system, det fanns ingen teoretisk förutsägelse som tyder på den stora omfattningen av det observerade svaret. I jämförelse med andra välkända olinjära kristaller, det olinjära optiska svaret i dessa system är större med faktorer från 10 till 100. Med tanke på det oväntade svaret, forskare räknar med att dessa fynd kommer att stimulera utvecklingen av avancerade ab initio -metoder för att beräkna olinjära optiska svarsfunktioner i dessa material.
Också, Weyl halvmetaller förväntas ha ett brett spektrum av optoelektroniska applikationer som material som ska användas för utveckling av terahertz-generatorer och fjärranfraröda strålningsdetektorer.
