Propagazione della luce dipendente dalla polarizzazione in $$\textrm{WTe}

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13169 (2023) Citare questo articolo

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\(\textrm{WTe}_2\) è uno dei membri semimetallici più interessanti ed eccezionali dei TMDC, che ha attirato un'enorme attenzione per la manipolazione della propagazione della luce grazie alla sua anisotropia ottica intrinseca e alla caratteristica iperbolica nella gamma di frequenze dell'infrarosso. Investighiamo la dipendenza della riflettanza e della trasmittanza delle strutture con un film sottile singolo e doppio \(\textrm{WTe}_2\) in termini di frequenza e angolo di polarizzazione dell'onda incidente. Troviamo comportamenti ricchi nella risposta ottica di queste strutture a causa dei loro tensori di permettività anisotropi. Inoltre, analizziamo lo stato di polarizzazione delle onde trasmesse e riflesse attraverso queste strutture. Dimostriamo che queste strutture forniscono la capacità di ottenere la rotazione di polarizzazione desiderata per le onde in uscita sintonizzando la frequenza e l'angolo di polarizzazione dell'onda incidente rispetto agli assi principali del film sottile \(\textrm{WTe}_2\). In particolare, chiariamo la rilevanza essenziale della risposta ottica e della rotazione di polarizzazione della struttura a doppio film sottile rispetto all'angolo di torsione in piano dei film sottili \(\textrm{WTe}_2\). Spieghiamo che questa struttura consente un controllo completo della rotazione di polarizzazione delle onde in uscita regolando l'angolo di torsione dei film sottili. La struttura proposta può essere impiegata come un efficiente manipolatore della luce con lo scopo di applicazione nella comunicazione, nell'imaging e nell'elaborazione delle informazioni.

Recentemente, i dichalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) hanno attirato notevole attenzione nella ricerca sui materiali grazie alle loro eccezionali caratteristiche nella spintronica e nella twistronica1, nonché nelle caratteristiche elettroniche e ottiche sintonizzabili2,3. I TMDC sono indicati con la formula \(\textrm{MX}_2\), dove M indica un metallo di transizione come molibdeno o tungsteno \((M = Mo, W)\) che è collegato a due atomi X corrispondenti ai calcogeni tali come S, Se o Te. Un TMDC sfuso è un materiale stratificato con le deboli forze di Van der Waals come forza dominante tra gli strati, che consente di ottenere un film sottile o un singolo strato di esso mediante esfoliazione. Il numero di strati e la disposizione degli atomi negli strati adiacenti in un campione TMDC ne determina le proprietà elettroniche e ottiche. I TMDC possiedono una varietà di strutture politipiche vale a dire 2H, 1T, \(1T'\) e \(T_d\), che sono diverse nella disposizione degli atomi. La fase 2H con reticolo triangolare è un semiconduttore con gap di banda diretto (indiretto) in forma monostrato (bulk). Mentre nella fase 1T gli atomi di calcogenuro sono disposti come un esagono attorno all'atomo di metallo. A causa dell'instabilità della fase 1T in forma indipendente, la struttura tende a subire una distorsione reticolare spontanea attraverso la dimerizzazione degli atomi di metalli di transizione lungo una delle direzioni del reticolo, che si traduce in proprietà elettroniche anisotrope4. Le fasi \(1T'\) e \(T_d\) sono strutturalmente simili alla fase 1T distorta e la differenza nella struttura a specchio tra loro può essere riconosciuta solo nei film multistrato. Il monostrato \(\textrm{WTe}_2\) in fase \(1T'\) è l'unico tra i TMDC che stabilisce la fase dell'isolante Hall con spin quantistico, che è stata dimostrata con adeguate evidenze sperimentali tramite la misurazione della conduttanza del bordo quantizzata5, e il bordo dichiara6,7. In particolare, la fase \(T_d\) con la rottura della simmetria di inversione ha portato a fenomeni peculiari. Ad esempio, il multistrato di \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) è stato rivelato come un semimetallo di Weyl topologico di tipo II con coni di Weyl inclinati8, che rappresentano una superconduttività indotta dalla pressione9, effetti di magnetoresistenza anormali e giganti10, mobilità estremamente elevata11 e assorbimento ottico a bassa energia12.

Un materiale iperbolico nel piano possiede un tensore di permettività altamente anisotropo, tale che le parti reali di due componenti principali nel piano del suo tensore di permettività hanno segni opposti13. Ciò significa che in una direzione si comportano come un dielettrico con permettività positiva, mentre nell'altra direzione rivelano caratteristiche metalliche con permettività negativa. Questi materiali diventano più degni di nota se si considera la loro sintonizzabilità tramite drogaggio chimico, gating e deformazione14 o temperatura15. È stato previsto che alcuni dei materiali 2D anisotropi presentino polaritoni plasmonici superficiali iperbolici ma non sono stati ancora confermati sperimentalmente16. Recentemente, il film sottile \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) è stato segnalato come un semimetallo con anisotropia nel piano a causa dell'interazione della sua intrabanda e transizioni elettroniche interbanda8,17,18,19. In altre parole, sia la risposta del portatore libero che le transizioni interbanda legate caratterizzano la quantità di anisotropia che porta alla sintonizzabilità intrinseca. Infatti, i plasmoni iperbolici sono stati realizzati in film sottili esfoliati \(\mathrm {WTe_2}\) in un intervallo di frequenze definito (429–632 \(\hbox {cm}^{-1}\)). Inoltre, le proprietà iperboliche possono essere modificate dalla temperatura20. È stato dimostrato che l’aumento della temperatura altera il regime iperbolico di \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) e la sua anisotropia nel piano della risposta ottica14 . Ciò suggerisce che \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) è un materiale iperbolico perfetto e promettente per applicazioni di optoelettronica planare e nanofotonica.