por a, Los niveles de Landau cero quirales muestran características únicas de transporte quiral. Al introducir una masa efectiva no uniforme que depende linealmente de la coordenada, el sistema de cono de Dirac genera un campo magnético sintético en el plano (Bs). Como resultado, el modo cero de una quiralidad dentro de este sistema exhibe una propagación unidireccional, donde el modo cero con quiralidad izquierda y derecha se contrapropaga en la dirección especificada. b, El transporte de niveles Landau cero quirales muestra una robustez notable frente a defectos dentro del bulto. A pesar de la introducción de un defecto significativo en el centro de la muestra, el modo cero quiral no se ve afectado e inesperadamente cruza el defecto con una reflexión insignificante. Crédito: Hongwei Jia, Mudi Wang, Shaojie Ma, Ruo-Yang Zhang, Jing Hu, Dongyang Wang, CT Chan
Los niveles de Landau cero quirales son estados masivos topológicamente protegidos que se propagan en una dirección. En el campo de la teoría cuántica de campos y la física de la materia condensada, estos niveles son importantes para romper la simetría quiral y desencadenar anomalías quirales, que incluyen la no conservación de las corrientes quirales tanto en la física de partículas como en los sistemas de materia condensada.
Sin embargo, los enfoques anteriores para obtener niveles quirales de Landau se han basado en degeneraciones 3D de Weyl y campos magnéticos de fondo, lo que plantea desafíos para la fabricación de muestras y limita las aplicaciones prácticas.
En una publicación reciente en Luz: ciencia y aplicaciones, el profesor CT Chan del Departamento de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong, Hong Kong, China, junto con un equipo de científicos, presentó un enfoque novedoso. Al romper la simetría de inversión de paridad local dentro de cada celda unitaria, diseñaron un sistema fotónico de cono de Dirac 2D con masa efectiva no homogénea.
Esta masa efectiva no homogénea crea un campo de calibre sintético en una dirección virtual, que interactúa con la degeneración de Dirac. A través de su trabajo, ampliaron con éxito los niveles quirales de Landau de sistemas 3D a sistemas 2D y probaron experimentalmente su naturaleza propagativa unidireccional.
Además, introdujeron defectos en el sistema y realizaron experimentos para probar la solidez de los niveles Landau cero quirales frente a la retrodispersión. Estos hallazgos simplifican significativamente la fabricación de muestras y tienen potencial para aplicaciones en el diseño óptico unidireccional.
A diferencia de los estados superficiales topológicamente protegidos, los estados masivos ofrecen una mayor accesibilidad para su uso en dispositivos de comunicación. Esto se debe al confinamiento de la energía dentro del sistema para los estados masivos, mientras que los estados de borde tienen energía localizada principalmente cerca del límite del sistema, lo que los hace más propensos a las fugas. Los científicos que realizan la investigación resumen la física subyacente, las propiedades extraordinarias y las aplicaciones potenciales de estos estados masivos:
«Nuestro objetivo es ampliar el concepto de niveles quirales cero de Landau del sistema Weyl 3D al sistema de cono Dirac 2D. Para lograr esto, reconocemos que un sistema de cono Dirac 2D puede considerarse como un subsistema de un sistema Weyl 3D al introducir una dirección virtual representada por la masa efectiva del cono de Dirac», dijeron.
«Al hacer que la masa efectiva no sea homogénea, podemos redefinir el momento en esta dirección virtual como un momento canónico virtual. En consecuencia, proporciona un campo magnético sintético en el plano 2D, interactuando con el cono de Dirac y conduce a la formación de en el plano niveles quirales de Landau».
«Debido al hecho de que un solo cono de Dirac admite solo un nivel Landau cero quiral, la transición de dispersión de un modo cero de propagación positiva a un modo de propagación negativa es comparable a una dispersión de intervalos. Sin embargo, este proceso genera desafíos significativos ya que los dos valles están muy separados en el espacio de impulso, lo que hace que tales cambios sean extremadamente difíciles de producir», agregaron.
«La robustez inherente del modo masivo cero quiral contra la retrodispersión de los defectos es el factor principal detrás de sus propiedades excepcionales. Esto hace que esta propiedad sea muy adecuada para aplicaciones en el diseño de guías de ondas ópticas unidireccionales. Al reducir el tamaño de la muestra de milímetros a nanómetros, se vuelve aplicable en el rango de frecuencia óptica. Esto abre oportunidades para su uso generalizado en dispositivos de comunicación, minimizando efectivamente las fugas de energía. La energía limitada dentro del volumen permite una gestión eficiente del transporte de información, lo que mejora aún más su accesibilidad «, dijeron los científicos.
Información adicional:
Hongwei Jia et al, Realización experimental de niveles quirales de Landau en sistemas bidimensionales de cono de Dirac con masa efectiva no homogénea, Luz: ciencia y aplicaciones (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01209-z
Cita: Un sistema de cono de Dirac no homogéneo da niveles de Landau quirales en el plano (7 de julio de 2023) obtenidos el 8 de julio de 2023 a partir de
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