Un état de la matière exotique qui éblouit les scientifiques par ses propriétés électriques, peut également présenter des propriétés optiques inhabituelles, comme le montre une étude théorique menée par des chercheurs d'A*STAR.

Matériaux atomiquement minces, comme le graphène, tirent certaines de leurs propriétés du fait que les électrons sont confinés à voyager dans seulement deux dimensions. Des phénomènes similaires sont également observés dans certains matériaux tridimensionnels, dans lequel les électrons confinés à la surface se comportent très différemment de ceux dans la masse, par exemple, isolants topologiques, dont les électrons de surface conduisent l'électricité même si leurs électrons en vrac ne le font pas. Récemment, une autre classe passionnante de matériaux a été identifiée :le semi-métal topologique.

La différence dans les propriétés électriques de l'isolant et du conducteur est due à la bande interdite :un écart entre les plages, ou des bandes, d'énergie qu'un électron traversant le matériau peut assumer. Dans un isolant, la bande inférieure est pleine d'électrons et la bande interdite est trop grande pour permettre à un courant de circuler. Dans un semi-métal, la bande inférieure est également pleine mais les bandes inférieure et supérieure se touchent à certains endroits, permettant le passage d'un petit courant.

Cette absence de bande interdite complète signifie que les semi-métaux topologiques devraient théoriquement présenter des propriétés très différentes de celles des isolants topologiques plus conventionnels.

Pour le prouver, Li-kun Shi et Justin Song de l'A*STAR Institute of High Performance Computing ont utilisé une approximation 'hamiltonienne efficace' pour montrer que les états de surface bidimensionnels dans les semi-métaux, connu sous le nom d'arcs de Fermi, possèdent une interaction lumière-matière beaucoup plus forte que celle trouvée dans d'autres systèmes bidimensionnels sans lacunes, comme le graphène.

"Typiquement, la masse domine l'absorption matérielle, " explique Song. " Mais nous montrons que les semi-métaux de Dirac sont inhabituels en ce qu'ils possèdent une surface très optiquement active en raison de ces états particuliers d'arc de Fermi. "

Shi et Song ont analysé un semi-métal proto-typique avec une structure de bande symétrique où les bandes électroniques se touchent à deux endroits, appelées pointes de Dirac, et prédit la force avec laquelle le rayonnement incident induit des transitions électroniques de la bande inférieure à la bande supérieure. Ils ont découvert que l'absorption de surface dépend fortement de la polarisation de la lumière, étant 100 à 1, 000 fois plus forte lorsque la lumière est polarisée perpendiculairement plutôt que parallèlement à l'axe de rotation du cristal. Cette forte anisotropie offre un moyen d'étudier et de sonder optiquement les états de surface topologiques des semi-métaux de Dirac.

"Notre objectif est d'identifier davantage d'optiques non conventionnelles dues aux arcs de Fermi, ", dit Song. "Les semi-métaux topologiques pourraient héberger un comportement opto-électronique inhabituel qui va au-delà des matériaux conventionnels."