Energidispersioner E(k) av upp- och nedspinningsband vid kz =0 som är förstorade runt E=0 . Här betecknas band som snarare domineras av s -orbital ( p -orbital) komponenten med en röd (blå) heldragen linje. Axeln för abskissan kl mäts i enheten 1/dl med l=x,y,z. (a) E(k) i kx −ky plan vid kz =0 för uppsnurrbanden. (b) Samma som panel (a) men för nedsnurrande band. Kredit:Physical Review B (2022). DOI:10.1103/PhysRevB.106.085206
Topologiska material som har vissa symmetrier på atomnivå, inklusive topologiska isolatorer och topologiska halvmetaller, har väckt fascination bland många forskare om kondenserad materia på grund av deras komplexa elektroniska egenskaper. Nu har forskare i Japan visat att en normal halvledare kan omvandlas till en topologisk halvmetall genom ljusbestrålning. Vidare visade de hur spinnberoende svar kan uppträda när de belyses med cirkulärt polariserat laserljus. Publicerad i Physical Review B , undersöker detta arbete möjligheten att skapa topologiska halvmetaller och manifestera nya fysikaliska egenskaper genom ljusstyrning, vilket kan öppna upp en rik fysisk gräns för topologiska egenskaper.
De flesta vanliga ämnen är antingen elektriska ledare, som metaller, eller isolatorer, som plast. Däremot kan topologiska isolatorer uppvisa ovanligt beteende där elektriska strömmar flyter längs provets yta, men inte inuti det inre. Detta karakteristiska beteende är starkt kopplat till topologiska egenskaper som är inneboende i det elektroniska tillståndet. Dessutom ger en ny fas som kallas en topologisk halvmetall en ny lekplats för att utforska topologins roll i kondenserad materia. Men den underliggande fysiken för dessa system funderas fortfarande på.
Forskare vid University of Tsukuba studerade dynamiken hos excitationer i zinkarsenid (Zn3 Som2 ) när den bestrålas med en laser med cirkulär polarisation. Zinkarsenid ses normalt som en halvledare med smala gap, vilket innebär att elektroner inte är fria att röra sig på egen hand utan lätt kan drivas fram av energi från en extern ljuskälla. Under rätt förhållanden kan materialet uppvisa ett speciellt topologiskt tillstånd som kallas "Floquet-Weyl-halvmetall", vilket är en topologisk halvmetall kopplad till ljus. I detta fall kan den elektriska strömmen bäras i form av kvasipartiklar som kallas Weyl-fermioner. Eftersom dessa kvasipartiklar färdas som om de hade noll massa och motstår att bli spridda, kan Weyl-fermioner lätt röra sig genom materialet.
"Floquet-Weyl-halvmetaller uppvisar en handfull sällsynta egenskaper som kan användas i elektroniska enheter, inklusive hög rörlighet, titaniskt magnetiskt motstånd och spinnpolariserade strömmar", säger författaren professor Ken-ichi Hino. I det aktuella arbetet har forskarna visat att när en vänsterhänt cirkulärt polariserad kontinuerlig-vågslaser ställs in med en frekvens som nästan matchar energigapet i materialet, bildar spin-down-elektronerna och spin-up-elektronerna olika faser, en Weyl-halvmetall och en smalspaltsisolator. Den senare ligger i närheten av en annan topologisk halvmetall som kallas nodal-line semi-metall.
"Vår utforskning av den övergående dynamiken hos excitationer i zinkarsenid kan fördjupa förståelsen av den underliggande fysiken hos dessa material", säger seniorförfattaren Runnan Zhang. Denna grundforskning kan också bidra till att påskynda utvecklingen av tekniker för ljusinducerad ytmagnetisering av icke-magnetiska material. + Utforska vidare
