S-au înregistrat progrese în studiul mișcării ultrarapide a cvasiparticulelor Weil controlate de lasere.

S-au înregistrat progrese în studiul mișcării ultrarapide a cvasiparticulelor Weil controlate delasere

În ultimii ani, cercetarea teoretică și experimentală asupra stărilor cuantice topologice și a materialelor cuantice topologice a devenit un subiect de mare interes în domeniul fizicii materiei condensate. Ca un nou concept de clasificare a materiei, ordinea topologică, la fel ca simetria, este un concept fundamental în fizica materiei condensate. O înțelegere profundă a topologiei este legată de problemele de bază din fizica materiei condensate, cum ar fi structura electronică de bază a...faze cuantice, tranziții de fază cuantice și excitația multor elemente imobilizate în faze cuantice. În materialele topologice, cuplarea dintre mai multe grade de libertate, cum ar fi electronii, fononii și spinul, joacă un rol decisiv în înțelegerea și reglarea proprietăților materialelor. Excitația luminii poate fi utilizată pentru a distinge între diferite interacțiuni și a manipula starea materiei, putând fi apoi obținute informații despre proprietățile fizice de bază ale materialului, tranzițiile de fază structurale și noile stări cuantice. În prezent, relația dintre comportamentul macroscopic al materialelor topologice conduse de câmpul luminos și structura lor atomică microscopică și proprietățile electronice a devenit un obiectiv de cercetare.

Comportamentul de răspuns fotoelectric al materialelor topologice este strâns legat de structura lor electronică microscopică. Pentru semimetalele topologice, excitația purtătorului de curent în apropierea intersecției benzilor este foarte sensibilă la caracteristicile funcției de undă a sistemului. Studiul fenomenelor optice neliniare în semimetalele topologice ne poate ajuta să înțelegem mai bine proprietățile fizice ale stărilor excitate ale sistemului și se așteaptă ca aceste efecte să poată fi utilizate în fabricarea...dispozitive opticeși proiectarea celulelor solare, oferind potențiale aplicații practice în viitor. De exemplu, într-un semimetal Weyl, absorbția unui foton de lumină polarizată circular va provoca inversarea spinului, iar pentru a respecta conservarea momentului cinetic, excitația electronilor de pe ambele părți ale conului Weyl va fi distribuită asimetric de-a lungul direcției de propagare a luminii polarizate circular, ceea ce se numește regula de selecție chirală (Figura 1).

Studiul teoretic al fenomenelor optice neliniare ale materialelor topologice adoptă de obicei metoda combinării calculului proprietăților stării fundamentale a materialului cu analiza simetriei. Cu toate acestea, această metodă are unele defecte: îi lipsesc informațiile dinamice în timp real despre purtătorii excitați în spațiul impulsului și spațiul real și nu poate stabili o comparație directă cu metoda de detecție experimentală rezolvată în timp. Cuplarea dintre electron-fononi și foton-fononi nu poate fi luată în considerare. Iar acest lucru este crucial pentru ca anumite tranziții de fază să aibă loc. În plus, această analiză teoretică bazată pe teoria perturbațiilor nu poate trata procesele fizice sub câmp luminos puternic. Simularea dinamicii moleculare funcționale a densității dependente de timp (TDDFT-MD) bazată pe principii fundamentale poate rezolva problemele de mai sus.

Recent, sub îndrumarea cercetătoarei Meng Sheng, a cercetătorului postdoctoral Guan Mengxue și a doctorandului Wang En din cadrul Grupului SF10 al Laboratorului Cheie de Stat pentru Fizică a Suprafețelor din cadrul Institutului de Fizică al Academiei Chineze de Științe/Centrul Național de Cercetare pentru Fizica Materiei Concentrate din Beijing, în colaborare cu profesorul Sun Jiatao de la Institutul de Tehnologie din Beijing, au utilizat software-ul de simulare a dinamicii stărilor excitate TDAP, dezvoltat de ei înșiși. Sunt investigate caracteristicile de răspuns ale excitației cuastiparticulelor la laser ultrarapid în al doilea tip de semimetal Weyl WTe2.

S-a demonstrat că excitația selectivă a purtătorilor de sarcină în apropierea punctului Weyl este determinată de simetria orbitală atomică și regula de selecție a tranziției, care este diferită de regula obișnuită de selecție a spinului pentru excitația chirală, iar calea sa de excitație poate fi controlată prin schimbarea direcției de polarizare a luminii polarizate liniar și a energiei fotonice (FIG. 2).

Excitația asimetrică a purtătorilor de sarcină induce fotocurenți în direcții diferite în spațiul real, ceea ce afectează direcția și simetria alunecării interstratului sistemului. Deoarece proprietățile topologice ale WTe2, cum ar fi numărul de puncte Weyl și gradul de separare în spațiul impulsului, depind în mare măsură de simetria sistemului (Figura 3), excitația asimetrică a purtătorilor de sarcină va duce la un comportament diferit al cvastiparticulelor Weyl în spațiul impulsului și la modificări corespunzătoare ale proprietăților topologice ale sistemului. Astfel, studiul oferă o diagramă de fază clară pentru tranzițiile de fază fototopologice (Figura 4).

Rezultatele arată că ar trebui acordată atenție chiralității excitației purtătorilor de sarcină în apropierea punctului Weyl și că ar trebui analizate proprietățile orbitale atomice ale funcției de undă. Efectele celor două sunt similare, dar mecanismul este evident diferit, ceea ce oferă o bază teoretică pentru explicarea singularității punctelor Weyl. În plus, metoda computațională adoptată în acest studiu poate înțelege în profunzime interacțiunile complexe și comportamentele dinamice la nivel atomic și electronic într-o scară de timp super-rapidă, poate dezvălui mecanismele lor microfizice și se așteaptă să fie un instrument puternic pentru cercetările viitoare asupra fenomenelor optice neliniare în materialele topologice.

Rezultatele sunt publicate în revista Nature Communications. Lucrările de cercetare sunt susținute de Planul Național Cheie de Cercetare și Dezvoltare, Fundația Națională de Științe Naturale și Proiectul Pilot Strategic (Categoria B) al Academiei Chineze de Științe.

FIG.1.a. Regula de selecție a chiralității pentru punctele Weyl cu semn de chiralitate pozitiv (χ=+1) sub lumină polarizată circular; Excitație selectivă datorată simetriei orbitale atomice la punctul Weyl al lui b. χ=+1 în lumină polarizată în linie

FIG. 2. Diagrama structurii atomice a lui a, Td-WTe2; b. Structura benzilor în apropierea suprafeței Fermi; (c) Structura benzilor și contribuțiile relative ale orbitalilor atomici distribuiți de-a lungul liniilor cu simetrie ridicată în regiunea Brillouin, săgețile (1) și (2) reprezintă excitația în apropierea sau respectiv departe de punctele Weyl; d. Amplificarea structurii benzilor de-a lungul direcției Gamma-X

FIG.3.ab: Este ilustrată mișcarea relativă între straturi a direcției de polarizare a luminii polarizate liniar de-a lungul axei A și a axei B a cristalului și modul de mișcare corespunzător; C. Comparație între simularea teoretică și observația experimentală; de: Evoluția simetriei sistemului și poziția, numărul și gradul de separare a celor două puncte Weyl cele mai apropiate în planul kz=0

FIG. 4. Tranziție de fază fototopologică în Td-WTe2 pentru energia fotonică a luminii polarizate liniar (?) ω) și diagrama de fază dependentă de direcția de polarizare (θ).