Un estado exótico de la materia que deslumbra a los científicos con sus propiedades eléctricas, también puede exhibir propiedades ópticas inusuales, como se muestra en un estudio teórico realizado por investigadores de A * STAR.

Materiales atómicamente delgados, como el grafeno, derivan algunas de sus propiedades del hecho de que los electrones se limitan a viajar en solo dos dimensiones. También se observan fenómenos similares en algunos materiales tridimensionales, en el que los electrones confinados a la superficie se comportan de manera muy diferente a los que se encuentran dentro de la masa, por ejemplo, aisladores topológicos, cuyos electrones de superficie conducen electricidad aunque sus electrones a granel no lo hagan. Recientemente, Se ha identificado otra clase interesante de materiales:el semimetal topológico.

La diferencia en las propiedades eléctricas del aislante y del conductor se debe al intervalo de banda:un intervalo entre los rangos, o bandas, de energía que puede asumir un electrón que viaja a través del material. En un aislante la banda inferior está llena de electrones y la banda prohibida es demasiado grande para permitir que fluya una corriente. En un semimetal, la banda inferior también está llena, pero las bandas superior e inferior se tocan en algunos puntos, permitiendo el flujo de una pequeña corriente.

Esta falta de una banda prohibida completa significa que los semimetales topológicos deberían exhibir teóricamente propiedades muy diferentes de las de los aislantes topológicos más convencionales.

Para probar esto, Li-kun Shi y Justin Song del Instituto A * STAR de Computación de Alto Rendimiento utilizaron una aproximación 'hamiltoniana efectiva' para mostrar que los estados de superficie bidimensional en semimetales, conocidos como arcos de Fermi, Poseen una interacción luz-materia mucho más fuerte que la que se encuentra en otros sistemas bidimensionales sin espacios, como el grafeno.

"Típicamente, la masa domina la absorción de material, "explica Song." Pero mostramos que los semimetales de Dirac son inusuales porque poseen una superficie muy ópticamente activa debido a estos estados peculiares del arco de Fermi ".

Shi y Song analizaron un semimetal prototípico con una estructura de banda simétrica donde las bandas electrónicas se tocan en dos lugares, conocidos como puntos de Dirac, y predijo la fuerza con la que la radiación incidente induce transiciones de electrones de la banda inferior a la superior. Descubrieron que la absorción de la superficie depende en gran medida de la polarización de la luz, siendo 100 a 1, 000 veces más fuerte cuando la luz está polarizada de forma perpendicular, en lugar de paralela, al eje de rotación del cristal. Esta fuerte anisotropía ofrece una forma de investigar y sondear ópticamente los estados de las superficies topológicas de los semimetales de Dirac.

"Nuestro objetivo es identificar ópticas menos convencionales que surgen debido a los arcos de Fermi, ", dice Song." Los semimetales topológicos podrían albergar un comportamiento optoelectrónico inusual que va más allá de los materiales convencionales ".