Uno stato esotico della materia che sta abbagliando gli scienziati con le sue proprietà elettriche, può anche esibire proprietà ottiche insolite, come mostrato in uno studio teorico dei ricercatori di A*STAR.

Materiali atomicamente sottili, come il grafene, derivano alcune delle loro proprietà dal fatto che gli elettroni sono confinati a viaggiare solo in due dimensioni. Fenomeni simili si riscontrano anche in alcuni materiali tridimensionali, in cui gli elettroni confinati alla superficie si comportano in modo molto diverso da quelli all'interno della massa, ad esempio, isolanti topologici, i cui elettroni di superficie conducono elettricità anche se i loro elettroni di massa non lo fanno. Recentemente, è stata identificata un'altra entusiasmante classe di materiali:il semimetallo topologico.

La differenza nelle proprietà elettriche dell'isolante e del conduttore è dovuta al bandgap:un divario tra le gamme, o bande, di energia che un elettrone che viaggia attraverso il materiale può assumere. In un isolante, la banda inferiore è piena di elettroni e il bandgap è troppo grande per consentire il flusso di corrente. In un semimetallo, anche la fascia inferiore è piena ma le fasce inferiore e superiore si toccano in alcuni punti, consentendo il flusso di una piccola corrente.

Questa mancanza di un bandgap completo significa che i semimetalli topologici dovrebbero teoricamente esibire proprietà molto diverse da quelle degli isolanti topologici più convenzionali.

Per dimostrare questo, Li-kun Shi e Justin Song dell'A*STAR Institute of High Performance Computing hanno usato un'approssimazione hamiltoniana efficace per mostrare che gli stati superficiali bidimensionali nei semimetalli, noti come archi di Fermi, possiedono un'interazione luce-materia molto più forte di quella che si trova in altri sistemi bidimensionali gapless, come il grafene.

"Tipicamente, la massa domina l'assorbimento del materiale, " spiega Song. "Ma mostriamo che i semimetalli di Dirac sono insoliti in quanto possiedono una superficie molto otticamente attiva a causa di questi peculiari stati dell'arco di Fermi".

Shi e Song hanno analizzato un semimetal prototipico con una struttura a bande simmetrica in cui le bande elettroniche si toccano in due punti, noti come punti di Dirac, e prevedeva la forza con cui la radiazione incidente induce le transizioni elettroniche dalla banda inferiore a quella superiore. Hanno scoperto che l'assorbimento superficiale dipende fortemente dalla polarizzazione della luce, essendo 100 a 1, 000 volte più forte quando la luce è polarizzata perpendicolarmente, anziché parallela, all'asse di rotazione del cristallo. Questa forte anisotropia offre un modo per investigare e sondare otticamente gli stati delle superfici topologiche dei semimetalli di Dirac.

"Il nostro obiettivo è identificare ottiche più non convenzionali che sorgono a causa degli archi di Fermi, " dice Song. "I semimetalli topologici potrebbero ospitare un comportamento optoelettronico insolito che va oltre i materiali convenzionali".