Ein inhomogenes Dirac-Kegelsystem führt zu chiralen Landau-Niveaus in der Ebene

Chirale nullte Landau-Niveaus sind topologisch geschützte Massenzustände, die sich in eine einzige Richtung ausbreiten. Im Bereich der Quantenfeldtheorie und der Physik der kondensierten Materie sind diese Ebenen entscheidend für das Brechen der chiralen Symmetrie und das Auslösen der chiralen Anomalie, die die Nichterhaltung chiraler Ströme sowohl in der Teilchenphysik als auch in Systemen der kondensierten Materie beinhaltet.

Frühere Ansätze zur Realisierung chiraler Landau-Niveaus basierten jedoch auf 3D-Weyl-Entartungen und Hintergrundmagnetfeldern, was die Probenherstellung vor Herausforderungen stellt und praktische Anwendungen einschränkt.

In einer aktuellen Veröffentlichung in Licht: Wissenschaft und Anwendungen, stellte Professor CT Chan vom Fachbereich Physik der Hong Kong University of Science and Technology, Hongkong, China, zusammen mit einem Team von Wissenschaftlern einen neuartigen Ansatz vor. Durch Aufbrechen der lokalen Paritätsinversionssymmetrie innerhalb jeder Elementarzelle entwarfen sie ein 2D-Dirac-Kegel-Photonensystem mit inhomogener effektiver Masse.

Diese inhomogene effektive Masse erzeugte ein synthetisches Eichfeld in einer virtuellen Richtung, das mit der Dirac-Entartung interagierte. Durch ihre Arbeit haben sie die chiralen Landau-Niveaus erfolgreich von 3D- auf 2D-Systeme erweitert und ihre einseitig fortschreitende Natur experimentell validiert.

Darüber hinaus führten sie Defekte in das System ein und führten Experimente durch, um die Robustheit der chiralen nullten Landau-Niveaus gegenüber Rückstreuung zu testen. Diese Erkenntnisse vereinfachen die Probenherstellung erheblich und bieten Potenzial für Anwendungen im Einweg-Optikdesign.

Im Gegensatz zu topologisch geschützten Oberflächenzuständen bieten Massenzustände eine bessere Zugänglichkeit für die Verwendung in Kommunikationsgeräten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Energie innerhalb des Systems bei Massenzuständen begrenzt ist, wohingegen Randzustände über Energie verfügen, die hauptsächlich in der Nähe der Systemgrenze lokalisiert ist, was sie anfälliger für Verluste macht. Die Wissenschaftler, die die Forschung durchführten, fassten die zugrunde liegende Physik, außergewöhnliche Eigenschaften und mögliche Anwendungen dieser Massenzustände zusammen:

„Unser Ziel ist es, das Konzept der chiralen nullten Landau-Niveaus von 3D-Weyl-Systemen auf 2D-Dirac-Kegelsysteme zu erweitern. Um dies zu erreichen, erkennen wir, dass ein 2D-Dirac-Kegelsystem als Subsystem eines 3D-Weyl-Systems betrachtet werden kann, indem wir ein virtuelles System einführen Richtung, die durch die effektive Masse des Dirac-Kegels repräsentiert wird“, sagten sie.

„Indem wir die effektive Masse inhomogen machen, können wir den Impuls in dieser virtuellen Richtung als virtuellen kanonischen Impuls neu definieren. Folglich entsteht ein synthetisches Magnetfeld auf der 2D-Ebene, das mit dem Dirac-Kegel wechselwirkt und zur Bildung von führt.“ chirale Landau-Niveaus in der Ebene.“

„Aufgrund der Tatsache, dass ein einzelner Dirac-Kegel nur ein chirales nulltes Landau-Niveau unterstützt, ist der Streuübergang von einem sich positiv ausbreitenden nullten Modus zu einem negativ ausbreitenden Modus mit einer Intervallstreuung vergleichbar. Dieser Prozess stellt jedoch aufgrund der beiden Täler erhebliche Herausforderungen dar sind im Impulsraum weit voneinander entfernt, was das Auftreten solcher Übergänge sehr schwierig macht“, fügten sie hinzu.

„Die inhärente Robustheit des chiralen nullten Massenmodus gegenüber Rückstreuung durch Defekte ist der Schlüsselfaktor für seine außergewöhnlichen Eigenschaften. Diese Eigenschaft macht ihn hervorragend für Anwendungen im Einweg-Lichtwellenleiterdesign geeignet. Durch die Verkleinerung der Probengröße von Millimetern auf Nanometer „Es wird im optischen Frequenzbereich anwendbar. Dies eröffnet Möglichkeiten für seinen breiten Einsatz in Kommunikationsgeräten und minimiert effektiv den Energieverlust. Die in der Masse eingeschlossene Energie ermöglicht ein effizientes Management des Informationstransports und verbessert so seine Zugänglichkeit weiter“, sagen die Wissenschaftler.