Poczyniono postępy w badaniach nad ultraszybkim ruchem kwazicząstek Weila kontrolowanych przezlasery
W ostatnich latach badania teoretyczne i eksperymentalne nad topologicznymi stanami kwantowymi i topologicznymi materiałami kwantowymi stały się gorącym tematem w dziedzinie fizyki materii skondensowanej.Jako nowa koncepcja klasyfikacji materii, porządek topologiczny, podobnie jak symetria, jest podstawową 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 regulacji właściwości materiałów.Wzbudzenie światłem można wykorzystać do rozróżnienia różnych interakcji i manipulowania stanem materii, a następnie uzyskać informacje o podstawowych właściwościach fizycznych materiału, strukturalnych przejściach fazowych i nowych stanach kwantowych.Obecnie celem badawczym stał się związek pomiędzy makroskopowym zachowaniem materiałów topologicznych sterowanych polem świetlnym a ich mikroskopijną strukturą atomową i właściwościami elektronicznymi.
Zachowanie reakcji fotoelektrycznej materiałów topologicznych jest ściśle związane z ich mikroskopijną strukturą elektronową.W przypadku półmetali topologicznych wzbudzenie nośnika w pobliżu przecięcia pasma jest bardzo wrażliwe na charakterystykę funkcji falowej układu.Badanie nieliniowych zjawisk optycznych w półmetalach topologicznych może pomóc w lepszym zrozumieniu właściwości fizycznych stanów wzbudzonych układu i oczekuje się, że efekty te będą mogły zostać wykorzystane do wytwarzaniaurządzenia optyczneoraz projektowanie ogniw słonecznych, zapewniając potencjalne praktyczne zastosowania w przyszłości.Na przykład w półmetalu Weyla absorpcja fotonu światła spolaryzowanego kołowo spowoduje odwrócenie spinu i aby spełnić zasadę zachowania momentu pędu, wzbudzenie elektronów po obu stronach stożka Weyla będzie rozłożone asymetrycznie wzdłuż kierunek propagacji światła spolaryzowanego kołowo, co nazywa się chiralną regułą selekcji (rysunek 1).
W teoretycznym badaniu nieliniowych zjawisk optycznych materiałów topologicznych stosuje się zazwyczaj metodę łączącą obliczenia właściwości stanu podstawowego materiału z analizą symetrii.Metoda ta ma jednak pewne wady: brakuje w niej informacji dynamicznych w czasie rzeczywistym o wzbudzonych nośnikach w przestrzeni pędu i przestrzeni rzeczywistej oraz nie można jej bezpośrednio porównać z eksperymentalną metodą detekcji czasowo-rozdzielczej.Nie można brać pod uwagę sprzężenia między elektronami i fotonami.A to ma kluczowe znaczenie dla wystąpienia pewnych przejść fazowych.Ponadto ta analiza teoretyczna oparta na teorii zaburzeń nie może zajmować się procesami fizycznymi w silnym polu świetlnym.Symulacja dynamiki molekularnej zależnej od czasu (TDDFT-MD) oparta na pierwszych zasadach może rozwiązać powyższe problemy.
Ostatnio, pod kierunkiem badacza Meng Shenga, badacza ze stopniem doktora Guana Mengxue i doktoranta Wang En z Grupy SF10 Państwowego Kluczowego Laboratorium Fizyki Powierzchni Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk/Narodowego Centrum Badań nad Materią Skoncentrowaną w Pekinie Fizycy, we współpracy z profesorem Sun Jiatao z Pekińskiego Instytutu Technologii, wykorzystali samodzielnie opracowane oprogramowanie do symulacji dynamiki stanu wzbudzonego TDAP.Badano charakterystykę reakcji wzbudzenia kwasticząstek na ultraszybki laser w drugim rodzaju półmetalu Weyla WTe2.
Wykazano, że selektywne wzbudzenie nośników w pobliżu punktu Weyla jest określone przez symetrię orbity atomowej i regułę wyboru przejścia, która różni się od zwykłej reguły doboru spinu dla wzbudzenia chiralnego, a jego ścieżką wzbudzenia można sterować poprzez zmianę kierunku polaryzacji liniowo spolaryzowanego światła i energii fotonów (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 pędów, są w dużym stopniu zależne od symetrii układu (rysunek 3), asymetryczne wzbudzenie nośników spowoduje odmienne zachowanie Weyla quasticząstki w przestrzeni pędów i odpowiadające im zmiany właściwości topologicznych układu.Zatem badanie zapewnia przejrzysty diagram fazowy dla fototopologicznych przejść fazowych (ryc. 4).
Wyniki pokazują, że należy zwrócić uwagę na chiralność wzbudzenia nośnika w pobliżu punktu Weyla i przeanalizować orbitalne właściwości funkcji falowej.Efekty obu są podobne, ale mechanizm jest oczywiście inny, co zapewnia teoretyczną podstawę do wyjaśnienia osobliwości punktów Weyla.Ponadto metoda obliczeniowa przyjęta w tym badaniu może głęboko zrozumieć złożone interakcje i zachowania dynamiczne na poziomie atomowym i elektronicznym w superszybkiej skali czasu, ujawnić ich mechanizmy mikrofizyczne i oczekuje się, że będzie potężnym narzędziem do przyszłych badań nad nieliniowe zjawiska optyczne w materiałach topologicznych.
Wyniki opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.Prace badawcze są wspierane przez Narodowy Plan Badań i Rozwoju, Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych oraz Strategiczny Projekt Pilotażowy (kategoria B) Chińskiej Akademii Nauk.
FIG.1.a.Reguła wyboru chiralności dla punktów Weyla z dodatnim znakiem chiralności (χ=+1) w świetle spolaryzowanym kołowo;Selektywne wzbudzenie spowodowane symetrią orbity atomowej w punkcie Weyla b.χ=+1 w świetle spolaryzowanym on-line
FIGA.2. Schemat budowy atomu a, Td-WTe2;B.Struktura pasmowa w pobliżu powierzchni Fermiego;(c) Struktura pasm i względny udział orbitali atomowych rozmieszczonych wzdłuż wysokich linii symetrycznych w regionie Brillouina, strzałki (1) i (2) przedstawiają wzbudzenie odpowiednio w pobliżu lub daleko od punktów Weyla;D.Wzmocnienie struktury pasma wzdłuż kierunku Gamma-X
FIG.3.ab: Pokazano względny ruch międzywarstwowy w kierunku polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo wzdłuż osi A i 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
FIGA.4. Fototopologiczne przejście fazowe w Td-WTe2 dla liniowo spolaryzowanej energii fotonów światła (?) ω) i kierunku polaryzacji (θ) zależnego od kierunku fazowego
Czas publikacji: 25 września 2023 r