Poczyniono postępy w badaniu ultraszybkiego ruchu kwazicząstek Weila kontrolowanego przezlasery
W ostatnich latach teoretyczne i eksperymentalne badania topologicznych stanów kwantowych i topologicznych materiałów kwantowych stały się gorącym tematem w dziedzinie fizyki materii skondensowanej. Jako nowa koncepcja klasyfikacji materii, porządek topologiczny, podobnie jak symetria, jest fundamentalnym pojęciem w fizyce materii skondensowanej. Głębokie zrozumienie topologii wiąże się z podstawowymi problemami fizyki materii skondensowanej, takimi jak podstawowa struktura elektronowa.fazy kwantowe, kwantowe przejścia fazowe i wzbudzenie wielu unieruchomionych pierwiastków w fazach kwantowych. W materiałach topologicznych sprzężenie między wieloma stopniami swobody, takimi jak elektrony, fonony i spin, odgrywa decydującą rolę w zrozumieniu i regulacji właściwości materiałów. Wzbudzenie światłem może być wykorzystane do rozróżnienia różnych oddziaływań i manipulowania stanem materii, a następnie do uzyskania informacji o podstawowych właściwościach fizycznych materiału, strukturalnych przejściach fazowych i nowych stanach kwantowych. Obecnie celem badań stała się zależność między makroskopowym zachowaniem materiałów topologicznych sterowanych polem świetlnym a ich mikroskopową strukturą atomową i właściwościami elektronowymi.
Reakcja fotoelektryczna materiałów topologicznych jest ściśle związana z ich mikroskopijną strukturą elektronową. W przypadku półmetali topologicznych wzbudzenie nośników w pobliżu przecięcia pasm jest wysoce wrażliwe na charakterystykę funkcji falowej układu. Badanie nieliniowych zjawisk optycznych w półmetalach topologicznych może pomóc nam lepiej zrozumieć właściwości fizyczne stanów wzbudzonych układu i oczekuje się, że efekty te będą mogły zostać wykorzystane w produkcji…urządzenia optyczneoraz projektowanie ogniw słonecznych, co może potencjalnie znaleźć zastosowanie praktyczne w przyszłości. Na przykład, w półmetalu Weyla, absorpcja fotonu światła spolaryzowanego kołowo spowoduje odwrócenie spinu, a aby spełnić zasadę zachowania momentu pędu, wzbudzenie elektronów po obu stronach stożka Weyla będzie asymetrycznie rozłożone wzdłuż kierunku propagacji światła spolaryzowanego kołowo, co nazywa się chiralną regułą selekcji (rysunek 1).
Teoretyczne badania nieliniowych zjawisk optycznych materiałów topologicznych zazwyczaj wykorzystują metodę łączącą obliczenia właściwości stanu podstawowego materiału i analizę symetrii. Metoda ta ma jednak pewne wady: brakuje w niej informacji o dynamice wzbudzonych nośników w czasie rzeczywistym w przestrzeni pędu i przestrzeni rzeczywistej oraz nie pozwala na bezpośrednie porównanie z czasowo-rozdzielczą eksperymentalną metodą detekcji. Nie można w niej uwzględnić sprzężenia między elektronami-fononami i fotonami-fononami. Jest to kluczowe dla wystąpienia niektórych przejść fazowych. Ponadto, ta analiza teoretyczna oparta na teorii zaburzeń nie jest w stanie objąć procesów fizycznych zachodzących w silnym polu światła. Symulacja dynamiki molekularnej funkcjonału gęstości zależnej od czasu (TDDFT-MD) oparta na pierwszych zasadach może rozwiązać powyższe problemy.
Niedawno, pod kierownictwem badaczki Meng Sheng, badaczki podoktorskiej Guan Mengxue i doktorantki Wang En z grupy SF10 Państwowego Laboratorium Fizyki Powierzchni Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk/Pekinskiego Narodowego Centrum Badań nad Fizyką Materii Skoncentrowanej, we współpracy z profesorem Sun Jiatao z Pekińskiego Instytutu Technologii, wykorzystali oni opracowane przez siebie oprogramowanie do symulacji dynamiki stanu wzbudzonego TDAP. Badano charakterystyki odpowiedzi wzbudzenia kwazicząstek na ultraszybki laser w drugim rodzaju półmetalicznego reaktora Weyla WTe2.
Wykazano, że selektywne wzbudzenie nośników w pobliżu punktu Weyla jest determinowane przez symetrię orbitali atomowych i regułę wyboru przejścia, która różni się od zwykłej reguły wyboru spinu dla wzbudzenia chiralnego, a jej ścieżkę wzbudzenia można kontrolować, zmieniając kierunek polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo i energię fotonu (rys. 2).
Asymetryczne wzbudzenie nośników indukuje fotoprądy w różnych kierunkach w przestrzeni rzeczywistej, co wpływa na kierunek i symetrię poślizgu międzywarstwowego układu. Ponieważ właściwości topologiczne WTe2, takie jak liczba punktów Weyla i stopień separacji w przestrzeni pędu, są silnie zależne od symetrii układu (rysunek 3), asymetryczne wzbudzenie nośników spowoduje odmienne zachowanie kwazicząstek Weyla w przestrzeni pędu i odpowiadające temu zmiany we właściwościach topologicznych układu. W związku z tym badanie dostarcza przejrzystego diagramu fazowego dla fototopologicznych przejść fazowych (rysunek 4).
Wyniki wskazują, że należy zwrócić uwagę na chiralność wzbudzeń nośników w pobliżu punktu Weyla oraz przeanalizować właściwości orbitali atomowych funkcji falowej. Efekty obu zjawisk są podobne, ale mechanizm jest oczywiście różny, co stanowi podstawę teoretyczną do wyjaśnienia osobliwości punktów Weyla. Ponadto, metoda obliczeniowa zastosowana w niniejszym badaniu pozwala na dogłębne zrozumienie złożonych oddziaływań i zachowań dynamicznych na poziomie atomowym i elektronowym w superszybkiej skali czasowej, ujawnienie ich mechanizmów mikrofizycznych i oczekuje się, że będzie potężnym narzędziem w przyszłych badaniach nad nieliniowymi zjawiskami optycznymi w materiałach topologicznych.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications. Prace badawcze są wspierane przez Narodowy Plan Kluczowych Badań i Rozwoju, Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych oraz Strategiczny Projekt Pilotażowy (Kategoria B) Chińskiej Akademii Nauk.
RYS. 1.a. Reguła wyboru chiralności dla punktów Weyla o dodatnim znaku chiralności (χ=+1) w świetle spolaryzowanym kołowo; Selektywne wzbudzenie spowodowane symetrią orbitalną atomów w punkcie Weyla punktu b. χ=+1 w świetle spolaryzowanym on-line
Rys. 2. Schemat struktury atomowej a, Td-WTe2; b. Struktura pasmowa w pobliżu powierzchni Fermiego; (c) Struktura pasmowa i względne udziały orbitali atomowych rozłożonych wzdłuż linii o wysokiej symetrii w obszarze Brillouina, strzałki (1) i (2) reprezentują odpowiednio wzbudzenia w pobliżu lub daleko od punktów Weyla; d. Wzmocnienie struktury pasmowej wzdłuż kierunku Gamma-X
FIG.3.ab: Ilustruje względny ruch międzywarstwowy liniowo spolaryzowanego światła w kierunku polaryzacji wzdłuż osi A i osi B kryształu oraz odpowiadający mu tryb ruchu; C. Porównanie symulacji teoretycznej z obserwacją eksperymentalną; de: Ewolucja symetrii układu oraz położenie, liczba i stopień separacji dwóch najbliższych punktów Weyla na płaszczyźnie kz=0
Rys. 4. Fototopologiczna przemiana fazowa w Td-WTe2 dla liniowo spolaryzowanego światła, zależny od energii fotonów (?) ω) i kierunku polaryzacji (θ) diagram fazowy
Czas publikacji: 25.09.2023