Weyl-Halbmetalle sind topologische Materialien, deren niederenergetische Anregungen der Weyl-Gleichung gehorchen. In einem Weyl-Halbmetall berühren sich die Leitungs- und Valenzbänder an diskreten Punkten im Impulsraum, die als Weyl-Knoten bezeichnet werden. Weyl-Knoten sind Monopole der Berry-Krümmung und robust gegenüber generischen Störungen. Die Quasiteilchen in der Nähe der Weyl-Knoten sind analog zu Weyl-Fermionen in der Hochenergiephysik; sie weisen eine lineare Dispersion und wohldefinierte Chiralität auf.
In einem neuen Artikel, erschienen in eLighthat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Shanhui Fan von der Stanford University die grundlegenden Konzepte und optischen Reaktionen von Weyl-Halbmetallen überprüft.
Die nichttriviale Topologie von Weyl-Halbmetallen führt zu vielen ungewöhnlichen elektronischen, magnetischen, thermischen und optischen Eigenschaften. Diese faszinierenden Merkmale wurden in der Literatur ausführlich untersucht. Neben diesen grundlegenden Interessen können Weyl-Halbmetalle auch neue Möglichkeiten in praktischen Anwendungen eröffnen. Beispielsweise umfassen photonische Anwendungen kompakte optische Isolatoren und Zirkulatoren, orbitale Drehimpulsdetektoren, Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung und nicht-reziproke thermische Emitter. Eine solche anwendungsorientierte Erforschung befindet sich jedoch noch in einem frühen Stadium, was weitere gemeinsame Anstrengungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren erfordert.
Weyl-Halbmetalle sind eine besondere Klasse von Halbmetallen. Sie weisen gemeinsame Eigenschaften von Halbmetallen sowie einige einzigartige Merkmale auf. Gemäß der Bandtheorie können Festkörper in Isolatoren, Halbleiter, Halbmetalle und Metalle eingeteilt werden. Ein Isolator oder ein Halbleiter hat eine Bandlücke zwischen dem Valenz- und dem Leitungsband; die Bandlücke ist für einen Isolator signifikanter als für einen Halbleiter. Ein Halbmetall hat eine minimale Überlappung zwischen Leitungs- und Valenzband und eine vernachlässigbare Zustandsdichte am Fermi-Niveau. Ein Metall hat ein teilweise gefülltes Leitungsband und eine beträchtliche Zustandsdichte auf dem Fermi-Niveau.
Die Forscher geben einen Ausblick auf zukünftige Arbeiten zum aufkommenden Thema Photonik auf Basis von Weyl-Halbmetallen. Bisher konzentrieren sich die meisten Arbeiten zu Weyl-Halbmetallen auf neuartige Physik. Ingenieure haben enorme Herausforderungen und Möglichkeiten, diese physikalischen Effekte praktisch nutzbar zu machen.
Es gibt viele Möglichkeiten, darunter die Synthese hochwertiger und großflächiger Weyl-Halbmetalle und die Herstellung photonischer Bauelemente auf der Basis von Weyl-Halbmetallmaterialien. Weitere Optionen umfassen das Design photonischer Strukturen zur Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkungen in Weyl-Halbmetallen und Photonenmanagement zur Verbesserung der Lichtabsorption und Photoströme in Weyl-Halbmetallen. Tatsächlich müssen viele Anstrengungen unternommen werden, um praktische Vorrichtungen aus Weyl-Halbmetallen zu konstruieren.
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Cheng Guo et al, Lichtkontrolle mit Weyl-Halbmetallen, eLight (2023). DOI: 10.1186/s43593-022-00036-w