In alcuni semimetalli risiedono stati esotici sfuggenti chiamati fermioni di Weyl. I semimetalli conducono l'elettricità come i metalli ma hanno altre proprietà che sono come gli isolanti. I semimetalli Weyl hanno stati elettronici fortemente influenzati dalla simmetria cristallina sottostante. Questo particolare sottoinsieme di semimetalli Weyl mostra enormi risposte ottiche non lineari che risultano dall'estrema flessione (o curvatura) degli stati degli elettroni. L'immagine raffigura questa curvatura, con le risposte positive e negative più forti colorate di rosso e viola, rispettivamente. Le caratteristiche della curvatura sono visibili vicino a punti speciali noti come nodi di Weyl. Credito:Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Nessuna teoria precedente aveva previsto che le risposte sarebbero state così grandi! Gli scienziati hanno "colpito" tre cristalli con impulsi di luce. inaspettatamente, i cristalli hanno mostrato la più grande risposta ottica non lineare di qualsiasi cristallo conosciuto. La risposta è stata un'enorme quantità di luce colorata diversa con il doppio della frequenza dell'impulso. Questi cristalli sono membri di una nuova classe di materiali noti come semimetalli Weyl.
Questo lavoro sfida il nostro pensiero sulle risposte ottiche nei semimetalli Weyl. Ci aspettavamo che gli impulsi luminosi producessero luce di colore diverso con il doppio della frequenza, ma non una risposta così grande. L'origine di questa gigantesca risposta è sconosciuta! Questo studio sta già stimolando lo sviluppo di teorie fondamentalmente nuove su queste risposte. Questi materiali sono promettenti per sensori che penetrano negli imballaggi, visori notturni, e altri dispositivi.
I fermioni di Weyl sono nuove particelle che si prevedeva sarebbero state osservate in esperimenti di fisica delle alte energie, ma non sono state osservate. Però, gli scienziati hanno recentemente osservato queste particelle come una proprietà emergente degli elettroni in un insieme unico di materiali semimetallici. Recenti studi hanno dimostrato che i semimetalli Weyl mostrano una risposta ottica non lineare inaspettatamente grande. Questa risposta dà origine al più grande effetto di generazione ottica di seconda armonica di qualsiasi cristallo conosciuto. Queste osservazioni sono state fatte nei sistemi di metalli di transizione:arseniuro di tantalio (TaAs), fosfuro di tantalio (TaP), e arseniuro di niobio (NbAs). UN
Sebbene fosse chiaro dalle considerazioni sulla simmetria che ci sarebbe stata una risposta non lineare in questi sistemi, non c'era alcuna previsione teorica che suggerisse la grande grandezza della risposta osservata. Rispetto ad altri noti cristalli non lineari, la risposta ottica non lineare in questi sistemi è maggiore di fattori da 10 a 100. Data la risposta inaspettata, gli scienziati prevedono che questi risultati stimoleranno lo sviluppo di metodi ab initio avanzati per calcolare le funzioni di risposta ottica non lineare in questi materiali.
Anche, Si prevede che i semimetalli Weyl avranno un'ampia gamma di applicazioni optoelettroniche come materiali da utilizzare per lo sviluppo di generatori di terahertz e rilevatori di radiazioni nel lontano infrarosso.
