Um estado exótico da matéria que está deslumbrando os cientistas com suas propriedades elétricas, também pode exibir propriedades ópticas incomuns, conforme mostrado em um estudo teórico realizado por pesquisadores da A * STAR.

Materiais atomicamente finos, como o grafeno, derivam algumas de suas propriedades do fato de que os elétrons estão confinados a viajar em apenas duas dimensões. Fenômenos semelhantes também são vistos em alguns materiais tridimensionais, em que os elétrons confinados à superfície se comportam de maneira muito diferente daqueles dentro da massa - por exemplo, isolantes topológicos, cujos elétrons de superfície conduzem eletricidade, embora seus elétrons em massa não o façam. Recentemente, outra classe interessante de materiais foi identificada:o semimetal topológico.

A diferença nas propriedades elétricas do isolador e do condutor deve-se ao intervalo:uma lacuna entre os intervalos, ou bandas, de energia que um elétron viajando através do material pode assumir. Em um isolador, a banda inferior está cheia de elétrons e o intervalo de banda é muito grande para permitir o fluxo de uma corrente. Em um semimetal, a banda inferior também está cheia, mas as bandas inferior e superior se tocam em alguns pontos, permitindo o fluxo de uma pequena corrente.

Essa falta de um bandgap completo significa que os semimetais topológicos deveriam teoricamente exibir propriedades muito diferentes daquelas dos isoladores topológicos mais convencionais.

Para provar isso, Li-kun Shi e Justin Song do Instituto A * STAR de Computação de Alto Desempenho usaram uma aproximação "hamiltoniana efetiva" para mostrar que os estados bidimensionais da superfície em semimetais, conhecido como arcos de Fermi, possuem uma interação luz-matéria muito mais forte do que a encontrada em outros sistemas bidimensionais sem intervalos, como o grafeno.

"Tipicamente, o volume domina a absorção de material, "explica Song." Mas mostramos que os semimetais de Dirac são incomuns por possuírem uma superfície opticamente ativa devido a esses estados peculiares do arco de Fermi. "

Shi e Song analisaram um semimetal prototípico com uma estrutura de banda simétrica onde as bandas eletrônicas tocam em dois lugares, conhecidos como pontos Dirac, e previu a força com a qual a radiação incidente induz as transições eletrônicas da banda inferior para a superior. Eles descobriram que a absorção da superfície depende fortemente da polarização da luz, sendo 100 para 1, 000 vezes mais forte quando a luz é polarizada perpendicularmente - em vez de paralela - ao eixo de rotação do cristal. Esta forte anisotropia oferece uma maneira de investigar opticamente e sondar os estados das superfícies topológicas dos semimetais de Dirac.

"Nosso objetivo é identificar as ópticas mais não convencionais que surgem devido aos arcos de Fermi, "diz Song." Semimetais topológicos podem hospedar comportamento optoeletrônico incomum que vai além dos materiais convencionais. "