Weyl半金屬材料表現出驚人的非線性光學響應

任何先前的理論都未曾預計到，反響會如此巨大！科學家們用光脈衝「戳」三個晶體。出乎意料的是，這些晶體顯示了已知晶體中最大的非線性光學響應。這種響應是大量不同顏色的光，這些產生的不同顏色的光的頻率是光脈衝兩倍。這些晶體是一種稱為Weyl半金屬材料的新一類材料的成員。

存在於特定半金屬材料中的難以捉摸的獨特狀態稱為Weyl費米子。半金屬材料像金屬一樣傳導電能，但具有類似絕緣體的其他屬性。 Weyl 半金屬材料具有受底層晶體對稱性強烈影響的電子狀態。Weyl半金屬材料的這個特定的子集顯示出巨大的非線性光學響應，這是由於電子態的極端彎曲（或曲率）引起的。圖像描繪了這個曲率，最強的正面和負面響應位置分別是紅色和紫色表示。曲率中的特徵可見於稱為Weyl節點的特殊點附近。（圖片來源：勞倫斯伯克利國家實驗室）

這項工作發表在Nature Physics上（「Giant anisotropic nonlinear optical response in transition metal monopnictide Weyl semimetals」）。這項工作挑戰了我們對Weyl 半金屬材料光學響應的理解。

科學家們預計光脈衝會產生兩倍頻率的不同顏色的光，但並未預計到會產生如此巨大的響應。這個巨大的反應的起源是未知的！

這項研究已經在促進有關這些反應的基礎新理論的發展。這些材料對於穿透感測器，夜視鏡和其他設備是有前景的。

Weyl費米子是一種在高能物理實驗中預測能觀察到但尚未觀察到的新粒子。然而，科學家最近在一組獨特的半金屬材料中觀察到這些粒子作為一種突現性質出現。

最近的研究表明，Weyl半金屬材料表現出意想不到的強的非線性光學響應。這種響應產生了在任何已知晶體中最大的光學二次諧波產生效應。

這些觀察結果是在過渡金屬體系中進行的，國際金屬體系包括：砷化鉭（TaAs），磷化鉭（TaP）和砷化鈮（NbAs）。儘管從對稱性考慮可以清楚地看到這些系統中會出現非線性響應，但沒有理論預測表明所觀察到的響應幅度很大。

與其他眾所周知的非線性晶體相比，這些系統中的非線性光學響應參數大10到100倍。

鑒於這種出乎意料的響應，科學家們預計這些發現將促進先進的第一性原理計算方法的發展，從而計算這些材料中的非線性光學響應函數。

此外，Weyl 半金屬材料作為材料用於開發太赫茲發生器和遠紅外輻射探測器，預計將有廣泛的光電子應用。

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