Propagação de luz dependente da polarização em $$\textrm{WTe}

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13169 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

\(\textrm{WTe}_2\) é um dos membros semimetálicos emocionantes e destacados dos TMDCs, que tem atraído imensa atenção para a manipulação da propagação da luz devido à sua anisotropia óptica inerente e característica hiperbólica na faixa de frequência infravermelha. Investigamos a dependência da refletância e transmitância de estruturas com filme fino \(\textrm{WTe}_2\) simples e duplo em termos de frequência e ângulo de polarização da onda incidente. Encontramos comportamentos ricos na resposta óptica dessas estruturas devido aos seus tensores de permissividade anisotrópica. Além disso, analisamos o estado de polarização das ondas transmitidas e refletidas através dessas estruturas. Demonstramos que essas estruturas fornecem a capacidade de alcançar a rotação de polarização desejada para as ondas de saída, ajustando a frequência e o ângulo de polarização da onda incidente em relação aos eixos principais do filme fino \(\textrm{WTe}_2\). Em particular, elucidamos a relevância essencial da resposta óptica e da rotação de polarização da estrutura dupla do filme fino para o ângulo de torção plano dos filmes finos \(\textrm{WTe}_2\). Explicamos que esta estrutura permite um controle abrangente da rotação de polarização das ondas de saída, ajustando o ângulo de torção dos filmes finos. A estrutura proposta pode ser empregada como um manipulador de luz eficiente com objetivo de aplicação em comunicação, imagem e processamento de informações.

Recentemente, os dichalcogenetos de metais de transição (TMDCs) têm atraído considerável atenção na pesquisa de materiais devido às suas excelentes características na spintrônica e twistrônica1, características eletrônicas e ópticas sintonizáveis2,3. TMDCs são denotados pela fórmula \(\textrm{MX}_2\), onde M indica um metal de transição como molibdênio ou tungstênio \((M = Mo, W)\) que está conectado a dois átomos X correspondentes aos calcogênios, tais como S, Se ou Te. Um TMDC a granel é um material em camadas com as forças fracas de Van der Waals como força dominante entre as camadas, o que permite obter uma película fina ou uma única camada dela pela esfoliação. O número de camadas e o arranjo dos átomos nas camadas adjacentes em uma amostra TMDC determinam suas propriedades eletrônicas e ópticas. Os TMDCs possuem uma variedade de estruturas politípicas, nomeadamente 2H, 1T, \(1T'\) e \(T_d\), que são diferentes no arranjo dos átomos. A fase 2H com rede triangular é um semicondutor de band gap direto (indireto) na forma de monocamada (em massa). Considerando que, na fase 1T, os átomos de calcogeneto estão dispostos como um hexágono em torno do átomo de metal. Devido à instabilidade da fase 1T na forma independente, a estrutura tende a sofrer uma distorção espontânea da rede através da dimerização dos átomos do metal de transição ao longo de uma das direções da rede, o que resulta em propriedades eletrônicas anisotrópicas . As fases \(1T'\) e \(T_d\) são estruturalmente semelhantes à fase 1T distorcida, e a diferença na estrutura do espelho entre elas só pode ser reconhecida nos filmes multicamadas. A monocamada \(\textrm{WTe}_2\) na fase \(1T'\) é a única entre os TMDCs que estabelece a fase isolante Hall de spin quântico, o que foi comprovado com evidências experimentais adequadas por meio da medição da condutância de borda quantizada5, e a borda afirma6,7. Em particular, a fase \(T_d\) com a simetria de inversão quebrada levou a fenômenos peculiares. Por exemplo, a multicamada de \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) foi revelada como um semimetal de Weyl topológico tipo II com cones de Weyl inclinados8, representando uma supercondutividade induzida por pressão9, efeitos de magnetorresistência anormais e gigantes10, mobilidade extremamente alta11 e absorção óptica de baixa energia12.

Um material hiperbólico no plano possui um tensor de permissividade altamente anisotrópico, de modo que as partes reais de dois componentes principais no plano de seu tensor de permissividade têm sinais opostos . Isso significa que em uma direção eles se comportam como um dielétrico com permissividade positiva, enquanto na outra direção revelam características metálicas com permissividade negativa. Esses materiais tornam-se mais notáveis ​​ao considerar sua sintonização via dopagem química, gating e deformação14 ou temperatura15. Foi previsto que alguns dos materiais 2D anisotrópicos apresentam polaritons plasmônicos de superfície hiperbólicos, mas ainda não foram confirmados experimentalmente . Recentemente, \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) filme fino foi relatado como um semimetal com anisotropia no plano devido à interação de sua intrabanda e transições eletrônicas interbandas8,17,18,19. Em outras palavras, tanto a resposta da portadora livre quanto as transições entre bandas ligadas caracterizam a quantidade de anisotropia que leva à sintonização intrínseca. De fato, plasmons hiperbólicos foram realizados em filmes finos esfoliados \(\mathrm {WTe_2}\) em uma faixa de frequência definida (429–632 \(\hbox {cm}^{-1}\)). Além disso, as propriedades hiperbólicas podem ser modificadas pela temperatura20. Foi demonstrado que o aumento da temperatura altera o regime hiperbólico de \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) e sua anisotropia no plano da resposta óptica14 . Sugere que \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) é um material hiperbólico perfeito e promissor para aplicações em optoeletrônica planar e nanofotônica.