۲۲۷۲۲پ
per
پلاسمون پلاریتون های سطحی در چند لایه های متشکل از نیمه فلزات وایل و دیراک
Surface plasmon polaritons in multi-layers composed of Weyl and Dirac semimetals
/سمیه اسکویی عبدل
: فیزیک
، ۱۳۹۸
، میرزائی
۱۲۸ص
چاپی - الکترونیکی
فاقد کلید واژه فارسی و لاتین
دکتری
فیزیک گرایش ماده چگال
۱۳۹۸/۱۱/۱۹
تبریز
اخیرا نیمه‌فلزات وایل به دلیل ساختار نواری غیرمتعارف‌شان مورد توجه محققان واقع شده‌اند .ساختار نواری غیرمعمول این مواد، در ویژگی‌های توپولوژیکی مانند نقاط وایل محافظت شده‌ی توپولوژیکی و حالت‌های سطحی قوس‌فرمی نمود می‌یابند .نوارهای ظرفیت و رسانش نیمه‌فلزات وایل/دیراک در نقاطی با یکدیگر تلاقی دارند .این نقاط وایل/دیراک همیشه به صورت زوج ظاهر می‌شوند و طیف پاشندگی آن‌ها حول این نقاط خطی می‌باشند و توسط توپولوژی و تقارن محافظت می‌شوند .در نیمه‌فلزات دیراک، این نقاط به طور دوگانه تبهگن هستند و مستلزم وجود هر دو تقارن وارونی زمان و تقارن وارونی فضایی به طور همزمان می‌باشند .در نیمه‌فلز وایل، شکست تقارن وارونی زمان و یا وارونی فضا سبب می‌شود که دو نقطه‌ی دیراک تبهگن به یک جفت نقاط وایل با کایرالیتی متضاد که در فضای اندازه حرکت و یا فضای انرژی از هم جدا هستند، تبدیل شود .این امر چند اثر فیزیکی جدید مانند نابهنجاری کایرالی، اثر هال نابهنجار و مقاومت مغناطیسی منفی را بدنبال دارد که همگی نشأت گرفته از ساختار نواری غیربدیهی نیمه‌فلزات وایل هستند .اثر نابهنجاری کایرال سبب پاسخ اپتیکی غیرمعمول در نیمه‌فلزات وایل می‌گردد که از تزویج ویژگی‌های الکتریکی و مغناطیسی آن حاصل می‌شود .از این رو نیمه‌فلزات وایل به جهت تنظیم‌پذیر بودن پتانسیل شیمیایی‌شان، موادی نوید بخش برای کاربرد در زمینه‌ی فوتونیک و پلاسمونیک می‌باشند .پلاسمون پلاریتون‌های سطحی تحریکات دسته جمعی الکترون‌ها و موج الکترومغناطیسی هستند که محدود به سطح مشترک دی‌الکتریک و رسانا بوده و در امتداد سطح رسانا انتشار می‌یابند .ویژگی غیرعادی پلاسمون پلاریتون روی سطح نیمه‌فلزات وایل نتیجه‌ی ویژگی توپولوژی ذاتی آنهاست و بدون نیاز به اعمال میدان مغناطیسی خارجی بدست می‌آید .این ویژگی‌های توپولوژی از اثر نابهنجاری کایرالی ناشی می‌شود که وابسته به فاصله‌ی نقاط وایل در فضای تکانه است .بنابراین، ویژگی‌های ذاتی توپولوژیکی این مواد فرصتی برای کنترل بهینه و پایدار انتشار پلاسمون پلاریتون سطحی (SPP)را فراهم می‌کند .در این رساله، انتشار SPP در موجبر اپتیکی متشکل از نیمه فلزات وایل و دیراک در پیکربندی‌های مختلف و تقارن‌های متفاوت بررسی شده است .به منظور انجام این مطالعه، در ابتدا روابط پاشندگی SPP در ساختارهای مذکور و سپس جایگزیدگی این مدها محاسبه شده است .ما در واقع نحوه‌ی انتشار SPP در موجبر اپتیکی متشکل از نیمه‌فلز وایل در پیکربندی فارادی /وویج و نیمه‌فلز دیراک را مورد مطالعه قرار داده‌ایم .پاشندگی SPP برای پیکربندی وویج غیروارون بوده و در گستره‌ی وسیعی از فرکانس‌ها، انتشار این مدها یک سویه است .پیکربندی فارادی ساختار مذکور دارای پاشندگی SPP وارون و دوسویه است .سپس ساختار موجبری شکافی متقارن در پیکربندی وویج - وویج و فارادی- فارادی را بررسی کرده‌ایم .نتیجه‌ی محاسبات نشان می‌دهد که پاشندگی SPP این ساختارها وارون بوده و مد تک سویه و غیروارون در پیکربندی وویج- وویج تنها زمانی می‌تواند منتشر شود که بزرگی و یا جهت بردار مغناطیسی کایرال دو نیمه‌فلز وایل متفاوت باشند .همچنین در موجبر هیبریدی وویج- فارادی، انتشار غیروارونی بسیار بزرگ را برای فرکانس‌های بالای فرکانس پلاسمایی حجمی نشان داده‌ایم .در انتها، مدهای SPP در موجبر شکافی متشکل از دو نیمه‌فلز وایل که یکی با تقارن وارونی زمانی شکسته شده و دیگری با تقارن وارونی فضا شکسته شده است، را مطالعه کرده‌ایم .در پیکربندی وویج چنین ساختاری، اثر متقابل این مدها در فصل مشترک دو نیمه‌فلز وایل با تقارن‌های مختلف، منجر به ایجاد مد کایرالی در فرکانس‌های بالای فرکانس پلاسمون حجمی می‌گردد .همچنین یک پاشندگی دو سویه و غیروارون برای این مدها با فرکانس‌های زیر فرکانس پلاسمونی حجمی حاصل می‌شود .محاسبات مبنی بر تنظیم‌پذیر بودن مدهای SPP در ساختارهای مذکور توسط پارامترهای توپولوژیکی، پتانسیل شیمیایی نیمه‌فلز وایل و ضخامت موجبری است .این ویژگی‌ها همگی از خاصیت توپولوژیکی ذاتی نیمه‌فلزات وایل سرچشمه می‌گیرد و از لحاظ تجربی قابل دسترس است
Weyl semimetals (WSMs) have recently attracted intensive attention due to their exotic band structure. The anomalous band structure of WSMs manifests itself in their topological properties such as protected Weyl nodes and Fermi arc surface states. WSMs possess band structure touching at Weyl nodes, which appear in pairs and are characterized by linear dispersion close to the Fermi level that protected by symmetry and topology. In bulk Dirac semimetals (BDSs) Weyl nodes are doubly degenerate and are called Dirac nodes, which requires both time reversal and inversion symmetries to be conserved. In WSMs, breaking the time reversal symmetry or inversion symmetry leads to a separation of Weyl nodes with opposite chirality in momentum or energy, respectively. Some exotic effects such as chiral anomaly, anomalous Hall Effect and negative magnetoresistance arise from the non-trivial topological band structure of WSMs. Furthermore, chiral anomaly in WSMs is expected to result in the unusual optical responses due to the coupling of the electric and magnetic properties. The WSMs are promising materials for photonics and plasmonics applications due to broad tunability of their chemical potential. Surface plasmon polaritons (SPPs) are collective electromagnetic and electronic charge excitations which are confined to the interface of a metal or semiconductor with a dielectric. The inherent properties of the SPPs on the surface of WSM are caused by its intrinsic topological properties without need to application of high external magnetic fields. These topological properties fixes strength of the coupling of the electric and magnetic properties of WSMs through the chiral magnetic effect which depends on the separation of the Weyl nodes in momentum space. Therefore, the intrinsic topological properties of WSMs provide the opportunity to stable and efficient control of SPP propagation at the interface of these materials. Motivated by these intriguing properties of SPPs at the interface of a WSM, we intend to study SPP dispersion and localization in a WSM slot waveguide. In this thesis, the propagation of surface plasmon polariton in the slot waveguide composed of Weyl and Dirac semimetal in different configuration is investigated theoretically. Firstly, the SPP dispersion relations of the mentioned structures are obtained and then their localization length are calculated. We investigate dispersion of the surface plasmon polaritons (SPPs) in a slot waveguide composed of a Weyl semimetal in Faraday/Voigt configuration and a Dirac semimetal. The obtained results for the Voigt configuration show that the SPPs dispersion is nonreciprocal and there is a wide range of frequencies with unidirectional SPP modes in this structure. It is found that SPPs of the slot waveguide in the Faraday configuration is reciprocal and thus the propagation of the surface plasmon polaritons is bidirectional. We study symmetric Voigt-Voigt and Faraday-Faraday waveguides and show that as it is expected the SPP dispersion in these structures are reciprocal. Also, we find that a robust nonreciprocallity and unidirectional propagation of SPPs in Voigt-Voigt configuration can be achieved by contrasting the magnitude or direction of the chiral magnetic vectors in two WSMs. Further, we analyze the SPPs dispersion in the hybrid Voigt-Faraday configuration and again retrieve a giant nonreciprocal SPP propagation for frequencies above the bulk plasmon frequency. We also study the interplay of the SPP modes exist at the interfaces of two WSMs with broken TRS and SIS connected via a dielectric layer in the slot waveguide geometry. We demonstrate that interplay of the SPP modes localized at independent interfaces of two WSMs with different symmetries (at Voigt configurations) leads to unidirectional SPP modes in the waveguide geometry for the frequencies above the bulk plasmon frequency. However, we find a nonreciprocal bidirectional dispersion for SPP modes with frequencies below the bulk plasmon frequency. In particular, our analysis reveals that these SPP modes can be tuned by the topological parameters, chemical potentials of two WSMs and thickness of waveguide. These fascinating features being originated from intrinsic topological properties of the WSMs makes them experimentally feasible and on the other hand may be very important from the practical perspective
Surface plasmon polaritons in multi-layers composed of Weyl and Dirac semimetals
اسکویی عبدل، سمیه
Oskoui Abdol, Somayeh
سلطانی والا، علی، استاد راهنما
عبداللهی پور، بابک، استاد راهنما
سیاه و سفید
نمایه‌سازی قبلی
