薄拓扑绝缘体中通过狄拉克等离激元相互作用控制表面电荷与自旋密度振荡

我们研究了薄拓扑绝缘体所支持的光学和声学等离激元模式在红外和太赫兹频率下的选择性激发。这些模式分别以有效的净电荷或净自旋密度为特征，我们通过结合多体和电磁计算来研究它们的激发。我们首先表明非局域性可以显著改变等离激元响应：它使传播等离激元的能量改变高达数十个百分点。然后我们讨论如何通过改变偶极源与半无限 10 nm 薄膜之间的距离，来控制声学和光学传播等离激元的激发，这些等离激元可以传播数个等离激元波长距离。此外，我们考虑 10 nm 薄的 TI 纳米盘，并分别通过点偶极源和平面波照射研究声学和光学局域等离激元模式的激发。共振等离激元模式出现在频率上，该频率强烈依赖于盘的尺寸，并且可以通过施加静电门控来改变在 TI 界面形成的导电二维层的费米能量从而进行潜在调谐。我们观察到通过改变费米能量从 250meV 到 350meV，光谱偏移从 ~29 $\mu$m 到 ~34 $\mu$m。最后，这些等离激元模式的电磁能量可以限制在非常小的区域，对于所考虑的小盘，有效体积约 (120 nm)^3，远小于自由空间波长立方 $\lambda$^3 ~(35000 nm)^3。强限制对于实现与附近系统的高效耦合是理想的。因此，我们的详细研究表明，薄拓扑绝缘体是一种有前景的系统，可用于控制与等离激元共振相关的自旋和电荷振荡，并可能应用于快速、紧凑和电控的自旋电子器件。