Pri preučevanju ultrahitrega gibanja Weilovih kvazidelcev, ki jih nadzorujelaserji
V zadnjih letih so teoretične in eksperimentalne raziskave topoloških kvantnih stanj in topoloških kvantnih materialov postale vroča tema na področju fizike kondenzirane snovi. Topološki red je kot nov koncept klasifikacije snovi, tako kot simetrija, temeljni koncept v fiziki kondenzirane snovi. Globoko razumevanje topologije je povezano z osnovnimi problemi v fiziki kondenzirane snovi, kot je osnovna elektronska strukturakvantne faze, kvantni fazni prehodi in vzbujanje številnih imobiliziranih elementov v kvantnih fazah. V topoloških materialih ima sklopitev med številnimi stopnjami svobode, kot so elektroni, fononi in spin, odločilno vlogo pri razumevanju in uravnavanju lastnosti materialov. Svetlobno vzbujanje se lahko uporabi za razlikovanje med različnimi interakcijami in manipulacijo stanja snovi, s čimer se lahko pridobijo informacije o osnovnih fizikalnih lastnostih materiala, strukturnih faznih prehodih in novih kvantnih stanjih. Trenutno je raziskovalni cilj postal odnos med makroskopskim obnašanjem topoloških materialov, ki jih poganja svetlobno polje, in njihovo mikroskopsko atomsko strukturo ter elektronskimi lastnostmi.
Fotoelektrično odzivno obnašanje topoloških materialov je tesno povezano z njihovo mikroskopsko elektronsko strukturo. Pri topoloških polkovinah je vzbujanje nosilcev v bližini presečišča pasov zelo občutljivo na značilnosti valovne funkcije sistema. Študija nelinearnih optičnih pojavov v topoloških polkovinah nam lahko pomaga bolje razumeti fizikalne lastnosti vzbujenih stanj sistema in pričakuje se, da se bodo ti učinki lahko uporabili pri izdelavioptične napravein zasnovo sončnih celic, kar zagotavlja potencialne praktične aplikacije v prihodnosti. Na primer, v Weylovih polkovinah bo absorpcija fotona krožno polarizirane svetlobe povzročila preobrat spina, in da bi se izpolnil zakon o ohranitvi kotnega momenta, bo vzbujanje elektronov na obeh straneh Weylovega stožca asimetrično porazdeljeno vzdolž smeri širjenja krožno polarizirane svetlobe, kar se imenuje kiralno selekcijsko pravilo (slika 1).
Teoretično proučevanje nelinearnih optičnih pojavov topoloških materialov običajno uporablja metodo kombiniranja izračuna lastnosti osnovnega stanja materiala in analize simetrije. Vendar ima ta metoda nekaj pomanjkljivosti: manjkajo ji dinamične informacije o vzbujenih nosilcih v prostoru gibalne količine in realnem prostoru v realnem času ter ne more vzpostaviti neposredne primerjave z eksperimentalno metodo detekcije s časovno ločljivostjo. Spremembe med elektron-fononi in foton-fononi ni mogoče upoštevati. To je ključnega pomena za nastanek določenih faznih prehodov. Poleg tega ta teoretična analiza, ki temelji na teoriji motenj, ne more obravnavati fizikalnih procesov v močnem svetlobnem polju. Simulacija časovno odvisne molekularne dinamike funkcionalne gostote (TDDFT-MD), ki temelji na prvih načelih, lahko reši zgornje probleme.
Nedavno so pod vodstvom raziskovalca Meng Shenga, podoktorskega raziskovalca Guana Mengxueja in doktorskega študenta Wang Ena iz skupine SF10 v državnem ključnem laboratoriju za fiziko površin Inštituta za fiziko Kitajske akademije znanosti/Pekinškega nacionalnega raziskovalnega centra za fiziko koncentriranih snovi v sodelovanju s profesorjem Sun Jiataom s Pekinškega tehnološkega inštituta uporabili lastno razvito programsko opremo za simulacijo dinamike vzbujenega stanja TDAP. Raziskujejo odzivne značilnosti vzbujanja kvazidelcev na ultrahitri laser v drugi vrsti Weylove polkovine WTe2.
Pokazalo se je, da selektivno vzbujanje nosilcev v bližini Weylove točke določa atomska orbitalna simetrija in pravilo izbire prehodov, ki se razlikuje od običajnega pravila izbire spina za kiralno vzbujanje, njegovo pot vzbujanja pa je mogoče nadzorovati s spreminjanjem smeri polarizacije linearno polarizirane svetlobe in energije fotona (slika 2).
Asimetrično vzbujanje nosilcev inducira fototokove v različnih smereh v realnem prostoru, kar vpliva na smer in simetrijo medplastnega zdrsa sistema. Ker so topološke lastnosti WTe2, kot sta število Weylovih točk in stopnja ločitve v prostoru momenta, močno odvisne od simetrije sistema (slika 3), bo asimetrično vzbujanje nosilcev povzročilo različno obnašanje Weylovih kvastidelcev v prostoru momenta in ustrezne spremembe v topoloških lastnostih sistema. Tako študija zagotavlja jasen fazni diagram za fototopološke fazne prehode (slika 4).
Rezultati kažejo, da je treba pozornost nameniti kiralnosti vzbujanja nosilcev v bližini Weylove točke in analizirati atomske orbitalne lastnosti valovne funkcije. Učinka obeh sta podobna, vendar je mehanizem očitno drugačen, kar zagotavlja teoretično osnovo za razlago singularnosti Weylovih točk. Poleg tega lahko računska metoda, uporabljena v tej študiji, poglobljeno razume kompleksne interakcije in dinamično vedenje na atomski in elektronski ravni v super hitrem časovnem merilu, razkrije njihove mikrofizikalne mehanizme in naj bi bila močno orodje za prihodnje raziskave nelinearnih optičnih pojavov v topoloških materialih.
Rezultati so objavljeni v reviji Nature Communications. Raziskovalno delo podpirajo Nacionalni ključni načrt za raziskave in razvoj, Nacionalna fundacija za naravoslovje in Strateški pilotni projekt (kategorija B) Kitajske akademije znanosti.
SLIKA 1.a. Pravilo izbire kiralnosti za Weylove točke s pozitivnim predznakom kiralnosti (χ=+1) pod krožno polarizirano svetlobo; Selektivno vzbujanje zaradi atomske orbitalne simetrije v Weylovi točki b. χ=+1 v sprotno polarizirani svetlobi
SLIKA 2. Diagram atomske strukture a, Td-WTe2; b. Pasovna struktura blizu Fermijeve površine; (c) Pasovna struktura in relativni prispevki atomskih orbital, porazdeljenih vzdolž visoko simetričnih linij v Brillouinovem območju, puščice (1) in (2) predstavljajo vzbujanje blizu oziroma daleč od Weylovih točk; d. Ojačitev pasovne strukture vzdolž smeri Gama-X
SLIKA 3.ab: Prikazano je relativno gibanje med plastmi linearno polarizirane smeri polarizacije svetlobe vzdolž osi A in osi B kristala ter ustrezen način gibanja; C. Primerjava med teoretično simulacijo in eksperimentalnim opazovanjem; de: Razvoj simetrije sistema ter položaj, število in stopnja ločitve dveh najbližjih Weylovih točk v ravnini kz=0
SLIKA 4. Fototopološki fazni prehod v Td-WTe2 za fazni diagram, odvisen od energije fotona linearno polarizirane svetlobe (?) ω) in smeri polarizacije (θ).
Čas objave: 25. september 2023