Postęp 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 fundamentalną koncepcją w fizyce materii skondensowanej. Głębokie zrozumienie topologii wiąże się z podstawowymi problemami fizyki materii skondensowanej, takimi jak podstawowa struktura elektronowafazy 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 regulowaniu właściwości materiału. Wzbudzenie światłem może być wykorzystane do rozróżnienia różnych oddziaływań i manipulowania stanem materii, a następnie można uzyskać informacje o podstawowych właściwościach fizycznych materiału, strukturalnych przejściach fazowych i nowych stanach kwantowych. Obecnie celem badań stał się związek między makroskopowym zachowaniem materiałów topologicznych napędzanych polem świetlnym a ich mikroskopową strukturą atomową i właściwościami elektronicznymi.
Zachowanie reakcji fotoelektrycznej materiałów topologicznych jest ściśle związane z ich mikroskopijną strukturą elektroniczną. W przypadku topologicznych półmetali wzbudzenie nośników w pobliżu przecięcia pasm jest wysoce wrażliwe na charakterystykę funkcji falowej układu. Badanie nieliniowych zjawisk optycznych w topologicznych półmetalach może pomóc nam lepiej zrozumieć właściwości fizyczne stanów wzbudzonych układu i oczekuje się, że efekty te można wykorzystać w produkcjiurządzenia optycznei projektowanie ogniw słonecznych, dostarczając potencjalne praktyczne zastosowania w przyszłości. Na przykład w półmetalu Weyla, absorbowanie 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 wyboru (Rysunek 1).
Teoretyczne badanie nieliniowych zjawisk optycznych materiałów topologicznych zwykle przyjmuje metodę łączenia obliczeń właściwości stanu podstawowego materiału i analizy symetrii. Jednak ta metoda ma pewne wady: brakuje jej informacji dynamicznych w czasie rzeczywistym o nośnikach wzbudzonych w przestrzeni pędu i przestrzeni rzeczywistej i nie może ustanowić bezpośredniego porównania z metodą detekcji eksperymentalnej rozdzieloną w czasie. Nie można uwzględnić sprzężenia między elektronami-fononami i fotonami-fononami. A to jest kluczowe dla wystąpienia pewnych przejść fazowych. Ponadto ta analiza teoretyczna oparta na teorii zaburzeń nie może poradzić sobie z procesami fizycznymi w silnym polu świetlnym. Symulacja dynamiki molekularnej funkcjonału gęstości zależnej od czasu (TDDFT-MD) oparta na pierwszych zasadach może rozwiązać powyższe problemy.
Niedawno, pod kierunkiem badacza Meng Sheng, badacza podoktorskiego Guan Mengxue i doktoranta Wang En z grupy SF10 State Key Laboratory of Surface Physics Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk/Pekinskiego Narodowego Centrum Badawczego Fizyki Materii Skoncentrowanej, we współpracy z profesorem Sun Jiatao z Pekińskiego Instytutu Technologii, wykorzystali oni samodzielnie opracowane oprogramowanie do symulacji dynamiki stanu wzbudzonego TDAP. Zbadano charakterystyki odpowiedzi wzbudzenia quastiparticle na ultrakrótki laser w drugim rodzaju półmetalu Weyla WTe2.
Wykazano, że selektywne wzbudzenie nośników w pobliżu punktu Weyla jest zdeterminowane przez symetrię orbitalną atomu i regułę wyboru przejścia, która różni się od zwykłej reguły wyboru spinu dla wzbudzenia chiralnego, a ścieżkę wzbudzenia można kontrolować, zmieniając kierunek polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo i energię fotonu (RYC. 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 różne zachowanie quasticząstek Weyla w przestrzeni pędu i odpowiadające temu zmiany w właściwościach topologicznych układu. W związku z tym badanie dostarcza przejrzystego diagramu fazowego dla fototopologicznych przejść fazowych (rysunek 4).
Wyniki pokazują, że należy zwrócić uwagę na chiralność wzbudzenia nośników w pobliżu punktu Weyla, a także przeanalizować właściwości orbitalne atomów funkcji falowej. Efekty obu są podobne, ale mechanizm jest oczywiście inny, co stanowi teoretyczną podstawę do wyjaśnienia osobliwości punktów Weyla. Ponadto metoda obliczeniowa przyjęta w tym badaniu może głęboko zrozumieć złożone oddziaływania i zachowania dynamiczne na poziomie atomowym i elektronicznym w superszybkiej skali czasowej, ujawnić ich mikrofizyczne mechanizmy i oczekuje się, że będzie potężnym narzędziem do przyszłych badań nad nieliniowymi zjawiskami optycznymi w materiałach topologicznych.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications. Prace badawcze są wspierane przez National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation i Strategic Pilot Project (Category B) of the Chinese Academy of Sciences.
FIG.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 b. χ=+1 w świetle spolaryzowanym on-line
FIG. 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 wzbudzenia w pobliżu lub daleko od punktów Weyla; d. Wzmocnienie struktury pasmowej wzdłuż kierunku Gamma-X
FIG.3.ab: Przedstawiono 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 i obserwacji eksperymentalnych; 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, zależna od energii fotonu (?) ω) i kierunku polaryzacji (θ)
Czas publikacji: 25-09-2023