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

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

În ultimii ani, cercetările teoretice și experimentale privind stările cuantice topologice și materialele cuantice topologice au devenit un subiect fierbinte în domeniul fizicii materiei condensate.Ca un nou concept de clasificare a materiei, ordinea topologică, ca și 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 afazele cuantice, tranziții de fază cuantică și excitarea multor elemente imobilizate în faze cuantice.În materialele topologice, cuplarea dintre multe grade de libertate, cum ar fi electroni, fononi și spin, 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, iar apoi pot fi obținute informații despre proprietățile fizice de bază ale materialului, tranzițiile structurale de fază și noi 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 al cercetării.

Comportamentul de răspuns fotoelectric al materialelor topologice este strâns legat de structura sa electronică microscopică.Pentru semimetale topologice, excitația purtătorului în apropierea intersecției benzii este foarte sensibilă la caracteristicile funcției de undă ale sistemului.Studiul fenomenelor optice neliniare în semimetale topologice ne poate ajuta să înțelegem mai bine proprietățile fizice ale stărilor excitate ale sistemului și este de așteptat ca aceste efecte să poată fi utilizate la fabricarea dedispozitive opticeși proiectarea celulelor solare, oferind potențiale aplicații practice în viitor.De exemplu, într-un semi-metal Weyl, absorbția unui foton de lumină polarizată circular va face ca spinul să se răstoarne și, pentru a îndeplini conservarea momentului unghiular, excitația electronilor de pe ambele părți ale conului Weyl va fi distribuită asimetric de-a lungul direcția de propagare a luminii polarizate circular, care se numește regula de selecție chirală (Figura 1).

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

Recent, sub îndrumarea cercetătorului Meng Sheng, a cercetătorului postdoctoral Guan Mengxue și a studentului doctorat Wang En al Grupului SF10 al Laboratorului de Stat Cheie de Fizica Suprafeței al Institutului de Fizică al Academiei Chineze de Științe/Centrul Național de Cercetare pentru Materia Concentrată din Beijing Fizica, în colaborare cu profesorul Sun Jiatao de la Institutul de Tehnologie din Beijing, au folosit software-ul auto-dezvoltat de simulare a dinamicii stării excitate TDAP.Sunt investigate caracteristicile de răspuns ale excitației cuastipiculelor la laserul ultrarapid în al doilea tip de semimetal Weyl WTe2.

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

Excitația asimetrică a purtătorilor induce fotocurenți în diferite direcții 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 de impuls, sunt foarte dependente de simetria sistemului (Figura 3), excitația asimetrică a purtătorilor va determina un comportament diferit al lui Weyl. cvasiparticule în spațiul de impuls și modificări corespunzătoare în proprietățile topologice ale sistemului.Astfel, studiul oferă o diagramă de fază clară pentru tranzițiile de fază fototopologice (Figura 4).

Rezultatele arată că ar trebui să se acorde atenție chiralității excitației purtătorului în apropierea punctului Weyl și ar trebui analizate proprietățile orbitale atomice ale funcției de undă.Efectele celor două sunt similare, dar mecanismul este în mod evident diferit, ceea ce oferă o bază teoretică pentru explicarea singularității punctelor Weyl.În plus, metoda computațională adoptată în acest studiu poate înțelege profund interacțiunile complexe și comportamentele dinamice la nivel atomic și electronic într-o scară de timp super-rapidă, dezvăluie mecanismele microfizice ale acestora și este de așteptat să fie un instrument puternic pentru cercetările viitoare privind fenomene optice neliniare în materiale topologice.

Rezultatele sunt în revista Nature Communications.Activitatea de cercetare este susținută de Planul național de cercetare și dezvoltare cheie, Fundația Națională pentru Științe Naturale și Proiectul-pilot strategic (Categoria B) al Academiei Chineze de Științe.

FIG.1.a.Regula de selecție a chirității pentru punctele Weyl cu semn de chiralitate pozitiv (χ=+1) sub lumină polarizată circular;Excitația selectivă datorată simetriei orbitale atomice în punctul Weyl din b.χ=+1 în lumină polarizată on-line

SMOCHIN.2. Diagrama structurii atomice a lui a, Td-WTe2;b.Structura de bandă lângă suprafața Fermi;(c) Structura benzii și contribuțiile relative ale orbitalilor atomici distribuiți de-a lungul liniilor simetrice înalte 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: Mișcarea relativă interstrat a direcției de polarizare a luminii polarizate liniar de-a lungul axei A și axei B a cristalului, și modul de mișcare corespunzător este ilustrat;C. Comparație între simularea teoretică și observația experimentală;de: Evoluția simetriei sistemului și poziția, numărul și gradul de separare a celor mai apropiate două puncte Weyl în planul kz=0

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