Propagation de la lumière dépendante de la polarisation dans $$\textrm{WTe}

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13169 (2023) Citer cet article

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\(\textrm{WTe}_2\) est l'un des membres semi-métalliques passionnants et exceptionnels des TMDC, qui a attiré une immense attention pour la manipulation de la propagation de la lumière en raison de son anisotropie optique inhérente et de sa caractéristique hyperbolique dans la gamme de fréquences infrarouges. Nous étudions la dépendance de la réflectance et de la transmission des structures avec un film mince simple et double \(\textrm{WTe}_2\) en termes de fréquence et d'angle de polarisation de l'onde incidente. Nous trouvons des comportements riches dans la réponse optique de ces structures en raison de leurs tenseurs de permittivité anisotropes. De plus, nous analysons l'état de polarisation des ondes transmises et réfléchies à travers ces structures. Nous démontrons que ces structures permettent d'obtenir la rotation de polarisation souhaitée pour les ondes sortantes en réglant la fréquence et l'angle de polarisation de l'onde incidente par rapport aux axes principaux du film mince \(\textrm{WTe}_2\). En particulier, nous élucidons la pertinence essentielle de la réponse optique et de la rotation de polarisation de la structure à double film mince par rapport à l'angle de torsion en clair des films minces \(\textrm{WTe}_2\). Nous expliquons que cette structure permet un contrôle complet de la rotation de polarisation des ondes sortantes en ajustant l'angle de torsion des films minces. La structure proposée peut être utilisée comme manipulateur de lumière efficace dans le but d'une application dans les domaines de la communication, de l'imagerie et du traitement de l'information.

Récemment, les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) ont attiré une attention considérable dans la recherche sur les matériaux en raison de leurs caractéristiques exceptionnelles en spintronique et twistronique1, électroniques et optiques accordables2,3. Les TMDC sont désignés par la formule \(\textrm{MX}_2\), où M indique un métal de transition comme le molybdène ou le tungstène \((M = Mo, W)\) qui est connecté à deux atomes X correspondant aux chalcogènes tels comme S, Se ou Te. Un TMDC en vrac est un matériau en couches avec les faibles forces de Van der Waals comme force dominante entre les couches, ce qui permet d'obtenir un film mince ou une seule couche de celui-ci par exfoliation. Le nombre de couches et la disposition des atomes dans les couches adjacentes dans un échantillon TMDC déterminent ses propriétés électroniques et optiques. Les TMDC possèdent une variété de structures polytypiques, à savoir 2H, 1T, \(1T'\) et \(T_d\), qui sont différentes dans la disposition des atomes. La phase 2H à réseau triangulaire est un semi-conducteur à bande interdite directe (indirecte) sous forme monocouche (en vrac). Alors que dans la phase 1T, les atomes de chalcogénure sont disposés en hexagone autour de l’atome de métal. En raison de l'instabilité de la phase 1T sous forme autonome, la structure a tendance à subir une distorsion spontanée du réseau par dimérisation des atomes de métaux de transition le long de l'une des directions du réseau, ce qui entraîne des propriétés électroniques anisotropes4. Les phases \(1T'\) et \(T_d\) sont structurellement similaires à la phase 1T déformée, et la différence de structure de miroir entre elles ne peut être reconnue que dans les films multicouches. La monocouche \(\textrm{WTe}_2\) en phase \(1T'\) est la seule parmi les TMDC qui établit la phase d'isolant Hall de spin quantique, ce qui a été prouvé avec des preuves expérimentales adéquates via la mesure de la conductance de bord quantifiée5, et le bord indique 6,7. En particulier, la phase \(T_d\) avec la symétrie d'inversion brisée a conduit à des phénomènes particuliers. Par exemple, le multicouche de \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) a été révélé comme un semi-métal de Weyl topologique de type II avec des cônes de Weyl inclinés8, représentant une supraconductivité induite par la pression9, des effets de magnétorésistance anormaux et géants10, une mobilité extrêmement élevée11 et une absorption optique de faible énergie12.

Un matériau hyperbolique dans le plan possède un tenseur de permittivité hautement anisotrope, tel que les parties réelles de deux composantes principales dans le plan de son tenseur de permittivité ont des signes opposés13. Cela signifie que dans un sens, ils se comportent comme un diélectrique à permittivité positive, tandis que dans l’autre sens, ils révèlent des caractéristiques métalliques à permittivité négative. Ces matériaux deviennent plus remarquables en considérant leur adaptabilité via le dopage chimique, le déclenchement et la déformation14 ou la température15. Il a été prédit que certains des matériaux 2D anisotropes présenteraient des polaritons de plasmons de surface hyperboliques, mais n'ont pas encore été confirmés expérimentalement. Récemment, un film mince \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) a été signalé comme un semi-métal avec une anisotropie dans le plan en raison de l'interaction de son intrabande. et transitions électroniques interbandes8,17,18,19. En d’autres termes, la réponse des porteuses libres et les transitions interbandes liées caractérisent le degré d’anisotropie qui conduit à l’accordabilité intrinsèque. En effet, des plasmons hyperboliques ont été réalisés dans des films minces exfoliés \(\mathrm {WTe_2}\) dans une gamme de fréquences définie (429–632 \(\hbox {cm}^{-1}\)). De plus, les propriétés hyperboliques peuvent être modifiées par la température20. Il a été démontré que l'augmentation de la température modifie le régime hyperbolique de \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) et son anisotropie dans le plan de la réponse optique14. . Cela suggère que \(\textrm{T}_{\textrm{d}}\)–\(\textrm{WTe}_2\) est un matériau hyperbolique parfait et prometteur pour les applications d'optoélectronique planaire et de nanophotonique.