Des états exotiques insaisissables appelés fermions de Weyl résident dans certains semi-métaux. Les semi-métaux conduisent l'électricité comme les métaux mais ont d'autres propriétés qui sont comme des isolants. Les semi-métaux de Weyl ont des états électroniques fortement influencés par la symétrie cristalline sous-jacente. Ce sous-ensemble particulier de semi-métaux de Weyl présente d'énormes réponses optiques non linéaires qui résultent de la courbure (ou courbure) extrême des états électroniques. L'image représente cette courbure, avec les réponses positives et négatives les plus fortes colorées en rouge et violet, respectivement. Les caractéristiques de la courbure sont visibles à proximité de points spéciaux connus sous le nom de nœuds de Weyl. Crédit :Département américain de l'énergie
Aucune théorie antérieure n'avait envisagé que les réponses seraient si importantes ! Les scientifiques ont "piqué" trois cristaux avec des impulsions lumineuses. De façon inattendue, les cristaux présentaient la plus grande réponse optique non linéaire de tous les cristaux connus. La réponse était une énorme quantité de lumière colorée différente avec deux fois la fréquence de l'impulsion. Ces cristaux font partie d'une nouvelle classe de matériaux connus sous le nom de semi-métaux de Weyl.
Ce travail remet en question notre réflexion sur les réponses optiques dans les semi-métaux de Weyl. Nous nous attendions à ce que les impulsions lumineuses produisent une lumière de couleur différente avec une fréquence deux fois plus élevée, mais pas une réponse aussi énorme. L'origine de cette gigantesque réponse est inconnue ! Cette étude stimule déjà le développement de théories fondamentalement nouvelles sur ces réponses. Ces matériaux sont prometteurs pour les capteurs à pénétration de boîtier, lunettes de vision nocturne, et d'autres appareils.
Les fermions de Weyl sont de nouvelles particules qui devaient être observées dans des expériences de physique des hautes énergies, mais qui n'ont pas été observées. Cependant, les scientifiques ont récemment observé ces particules comme une propriété émergente des électrons dans un ensemble unique de matériaux semi-métalliques. Des études récentes ont montré que les semi-métaux de Weyl présentent une réponse optique non linéaire étonnamment grande. Cette réponse donne lieu au plus grand effet de génération de deuxième harmonique optique de tous les cristaux connus. Ces observations ont été faites dans les systèmes de métaux de transition :arséniure de tantale (TaAs), le phosphure de tantale (TaP), et l'arséniure de niobium (NbAs). UNE
Bien qu'il ressorte clairement des considérations de symétrie qu'il y aurait une réponse non linéaire dans ces systèmes, il n'y avait aucune prédiction théorique suggérant la grande ampleur de la réponse observée. Par comparaison avec d'autres cristaux non linéaires bien connus, la réponse optique non linéaire dans ces systèmes est plus grande par des facteurs de 10 à 100. Compte tenu de la réponse inattendue, les scientifiques prévoient que ces découvertes stimuleront le développement de méthodes ab initio avancées pour calculer les fonctions de réponse optique non linéaire dans ces matériaux.
Aussi, Les semi-métaux de Weyl devraient avoir une large gamme d'applications optoélectroniques en tant que matériaux à utiliser pour le développement de générateurs térahertz et de détecteurs de rayonnement infrarouge lointain.
