Dosežen je bil napredek pri preučevanju ultrahitrega gibanja Weilovih kvazidelcev, ki jih nadzorujejo laserji

Napredek je bil dosežen pri preučevanju ultrahitrega gibanja Weilovih kvazidelcev, ki jih nadziralaserji

V zadnjih letih so teoretične in eksperimentalne raziskave topoloških kvantnih stanj in topoloških kvantnih materialov postale vroča tema na področju fizike kondenzirane snovi. Kot nov koncept klasifikacije snovi je topološki red, 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 igra povezava med številnimi stopnjami svobode, kot so elektroni, fononi in spin, odločilno vlogo pri razumevanju in uravnavanju lastnosti materiala. Svetlobno vzbujanje je mogoče uporabiti za razlikovanje med različnimi interakcijami in manipulacijo stanja snovi, nato pa je mogoče pridobiti informacije o osnovnih fizikalnih lastnostih materiala, strukturnih faznih prehodih in novih kvantnih stanjih. Trenutno je razmerje med makroskopskim obnašanjem topoloških materialov, ki jih poganja svetlobno polje, in njihovo mikroskopsko atomsko strukturo ter elektronskimi lastnostmi postalo raziskovalni cilj.

Obnašanje fotoelektričnega odziva topoloških materialov je tesno povezano z njihovo mikroskopsko elektronsko strukturo. Pri topoloških polkovinah je nosilno vzbujanje v bližini presečišča pasov zelo občutljivo na značilnosti valovne funkcije sistema. Preučevanje nelinearnih optičnih pojavov v topoloških polkovinah nam lahko pomaga bolje razumeti fizikalne lastnosti vzbujenih stanj sistema in pričakuje se, da bo te učinke mogoče uporabiti pri izdelavioptične napravein načrtovanje sončnih celic, ki zagotavljajo možne praktične uporabe v prihodnosti. Na primer, v Weylovi polkovini bo absorpcija fotona krožno polarizirane svetlobe povzročila vrtenje, in da bo izpolnjena ohranitev kotne količine, bo vzbujanje elektronov na obeh straneh Weylovega stožca asimetrično porazdeljeno vzdolž smer širjenja krožno polarizirane svetlobe, ki se imenuje kiralno izbirno pravilo (slika 1).

Teoretična študija nelinearnih optičnih pojavov topoloških materialov običajno sprejme metodo kombiniranja izračuna lastnosti osnovnega stanja materiala in analize simetrije. Vendar ima ta metoda nekaj pomanjkljivosti: nima dinamičnih informacij v realnem času vzbujenih nosilcev v prostoru impulza in realnem prostoru ter ne more vzpostaviti neposredne primerjave s časovno ločeno eksperimentalno metodo detekcije. Sklopitve med elektron-fononi in foton-fononi ni mogoče upoštevati. In to je ključno, da pride do določenih faznih prehodov. Poleg tega ta teoretična analiza, ki temelji na teoriji motenj, ne more obravnavati fizičnih procesov pod močnim svetlobnim poljem. Simulacija časovno odvisne molekularne dinamike gostote (TDDFT-MD), ki temelji na prvih načelih, lahko reši zgornje težave.

Pred kratkim pod vodstvom raziskovalca Meng Shenga, podoktorskega raziskovalca Guana Mengxueja in doktorskega študenta Wang Ena iz skupine SF10 Državnega ključnega laboratorija za površinsko fiziko Inštituta za fiziko Kitajske akademije znanosti/Pekinškega nacionalnega raziskovalnega centra za koncentrirane snovi Physics so v sodelovanju s profesorjem Sun Jiataom s Pekinškega tehnološkega inštituta uporabili samorazvito programsko opremo za simulacijo dinamike vzbujenega stanja TDAP. Raziskane so odzivne karakteristike kvazidelčnega vzbujanja na ultrahiter laser v Weylovi polkovini WTe2 druge vrste.

Pokazalo se je, da je selektivno vzbujanje nosilcev v bližini Weylove točke določeno z atomsko orbitalno simetrijo in pravilom izbire prehoda, 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 fotonske energije (SL. 2).

Asimetrično vzbujanje nosilcev inducira fototokove v različnih smereh v realnem prostoru, kar vpliva na smer in simetrijo medslojnega 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 drugačno obnašanje Weyla kvazidelcev v gibalnem prostoru in ustrezne spremembe v topoloških lastnostih sistema. Tako študija zagotavlja jasen fazni diagram za fototopološke fazne prehode (slika 4).

Rezultati kažejo, da je treba posvetiti pozornost kiralnosti vzbujanja nosilca v bližini Weylove točke in analizirati atomske orbitalne lastnosti valovne funkcije. Učinki obeh so podobni, vendar je mehanizem očitno drugačen, kar daje teoretično osnovo za razlago singularnosti Weylovih točk. Poleg tega lahko računalniška metoda, sprejeta v tej študiji, globoko razume zapletene interakcije in dinamično vedenje na atomski in elektronski ravni v izjemno hitrem časovnem merilu, razkrije njihove mikrofizične mehanizme in naj bi bila močno orodje za prihodnje raziskave o nelinearni optični pojavi v topoloških materialih.

Rezultati so v reviji Nature Communications. Raziskovalno delo podpirajo Nacionalni ključni raziskovalni in razvojni načrt, Nacionalna naravoslovna fundacija in Strateški pilotni projekt (kategorija B) Kitajske akademije znanosti.

SLIKA 1.a. Izbirno pravilo kiralnosti za Weylove točke s pozitivnim predznakom kiralnosti (χ=+1) pod krožno polarizirano svetlobo; Selektivno vzbujanje zaradi atomske orbitalne simetrije na Weylovi točki b. χ=+1 v sprotni polarizirani svetlobi

FIG. 2. Diagram atomske strukture a, Td-WTe2; b. Pasovna struktura blizu Fermijeve površine; (c) Pasovna struktura in relativni prispevki atomskih orbital, porazdeljenih vzdolž visokih simetričnih linij v Brillouinovi regiji, puščice (1) in (2) predstavljajo vzbujanje blizu ali daleč od Weylovih točk; d. Ojačitev pasovne strukture vzdolž smeri gama-X

SLIKA 3.ab: Relativno vmesno gibanje smeri polarizacije linearno polarizirane svetlobe vzdolž A-osi in B-osi kristala ter prikazan 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

FIG. 4. Fototopološki fazni prehod v Td-WTe2 za linearno polarizirano svetlobno fotonsko energijo (?) ω) in fazni diagram, odvisen od smeri polarizacije (θ).