Det er gjort fremskritt i studiet av ultrarask bevegelse av Weil kvasipartikler kontrollert avlasere
De siste årene har den teoretiske og eksperimentelle forskningen på topologiske kvantetilstander og topologiske kvantematerialer blitt et hett tema innen fysikk av kondensert materie. Som et nytt konsept for materieklassifisering er topologisk orden, som symmetri, et grunnleggende konsept i fysikk av kondensert materie. En dyp forståelse av topologi er relatert til de grunnleggende problemene i kondensert materie fysikk, slik som den grunnleggende elektroniske strukturen tilkvantefaser, kvantefaseoverganger og eksitasjon av mange immobiliserte elementer i kvantefaser. I topologiske materialer spiller koblingen mellom mange frihetsgrader, som elektroner, fononer og spinn, en avgjørende rolle for å forstå og regulere materialegenskaper. Lyseksitasjon kan brukes til å skille mellom ulike interaksjoner og manipulere materiens tilstand, og informasjon om materialets grunnleggende fysiske egenskaper, strukturelle faseoverganger og nye kvantetilstander kan da innhentes. For tiden har forholdet mellom makroskopisk oppførsel av topologiske materialer drevet av lysfelt og deres mikroskopiske atomstruktur og elektroniske egenskaper blitt et forskningsmål.
Den fotoelektriske responsoppførselen til topologiske materialer er nært knyttet til dens mikroskopiske elektroniske struktur. For topologiske halvmetaller er bærereksitasjonen nær båndskjæringspunktet svært følsom for bølgefunksjonskarakteristikkene til systemet. Studiet av ikke-lineære optiske fenomener i topologiske halvmetaller kan hjelpe oss til bedre å forstå de fysiske egenskapene til de eksiterte tilstandene i systemet, og det forventes at disse effektene kan brukes i produksjon avoptiske enheterog utformingen av solceller, som gir potensielle praktiske anvendelser i fremtiden. For eksempel, i et Weyl-halvmetall, vil absorbering av et foton av sirkulært polarisert lys føre til at spinnet snur, og for å møte bevaringen av vinkelmomentum vil elektroneksitasjonen på begge sider av Weyl-kjeglen være asymmetrisk fordelt langs retningen for den sirkulært polariserte lysutbredelsen, som kalles den kirale seleksjonsregelen (Figur 1).
Den teoretiske studien av ikke-lineære optiske fenomener av topologiske materialer tar vanligvis i bruk metoden for å kombinere beregning av materialets grunntilstandsegenskaper og symmetrianalyse. Imidlertid har denne metoden noen mangler: den mangler sanntids dynamisk informasjon fra eksiterte bærere i momentumrom og reelt rom, og den kan ikke etablere en direkte sammenligning med den tidsløste eksperimentelle deteksjonsmetoden. Koblingen mellom elektron-fononer og foton-fononer kan ikke vurderes. Og dette er avgjørende for at visse faseoverganger skal skje. I tillegg kan ikke denne teoretiske analysen basert på perturbasjonsteori omhandle de fysiske prosessene under det sterke lysfeltet. Den tidsavhengige tetthetsfunksjonelle molekyldynamikk-simuleringen (TDDFT-MD) basert på første prinsipper kan løse problemene ovenfor.
Nylig, under veiledning av forsker Meng Sheng, postdoktor Guan Mengxue og doktorgradsstudent Wang En fra SF10-gruppen ved State Key Laboratory of Surface Physics ved Institute of Physics ved Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Fysikk, i samarbeid med professor Sun Jiatao ved Beijing Institute of Technology, brukte de den egenutviklede simuleringsprogramvaren for eksiterte tilstandsdynamikk TDAP. Responskarakteristikkene til kvastipartikkeleksitasjon til ultrarask laser i den andre typen Weyl semi-metall WTe2 blir undersøkt.
Det har blitt vist at den selektive eksitasjonen av bærere nær Weyl-punktet bestemmes av atomorbitalsymmetri og overgangsvalgregel, som er forskjellig fra den vanlige spinnseleksjonsregelen for kiral eksitasjon, og dens eksitasjonsvei kan kontrolleres ved å endre polarisasjonsretningen av lineært polarisert lys og fotonenergi (fig. 2).
Den asymmetriske eksitasjonen av bærere induserer fotostrømmer i forskjellige retninger i det virkelige rommet, noe som påvirker retningen og symmetrien til systemets mellomlagsglidning. Siden de topologiske egenskapene til WTe2, som antall Weyl-punkter og graden av separasjon i momentumrommet, er svært avhengig av symmetrien til systemet (figur 3), vil den asymmetriske eksitasjonen av bærere føre til forskjellig oppførsel av Weyl kvasipartikler i momentumrommet og tilsvarende endringer i systemets topologiske egenskaper. Dermed gir studien et tydelig fasediagram for fototopologiske faseoverganger (Figur 4).
Resultatene viser at kiraliteten til bærereksitasjon nær Weyl-punktet bør tas hensyn til, og de atomære orbitale egenskapene til bølgefunksjonen bør analyseres. Effektene av de to er like, men mekanismen er åpenbart forskjellig, noe som gir et teoretisk grunnlag for å forklare singulariteten til Weyl-poeng. I tillegg kan beregningsmetoden som er tatt i bruk i denne studien dypt forstå de komplekse interaksjonene og dynamiske atferdene på atom- og elektronisk nivå i en superrask tidsskala, avsløre deres mikrofysiske mekanismer, og forventes å være et kraftig verktøy for fremtidig forskning på ikke-lineære optiske fenomener i topologiske materialer.
Resultatene er i tidsskriftet Nature Communications. Forskningsarbeidet er støttet av National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation og Strategic Pilot Project (Kategori B) til det kinesiske vitenskapsakademiet.
FIG.1.a. Kiralitetsseleksjonsregelen for Weyl-punkter med positivt chiralitetstegn (χ=+1) under sirkulært polarisert lys; Selektiv eksitasjon på grunn av atomorbitalsymmetri ved Weyl-punktet til b. χ=+1 i online polarisert lys
FIG. 2. Atomstrukturdiagram av a, Td-WTe2; b. Båndstruktur nær Fermi-overflaten; (c) Båndstruktur og relative bidrag fra atomorbitaler fordelt langs høye symmetriske linjer i Brillouin-regionen, piler (1) og (2) representerer henholdsvis eksitasjon nær eller langt fra Weyl-punkter; d. Forsterkning av båndstruktur langs Gamma-X-retningen
FIG.3.ab: Den relative mellomlagsbevegelsen av lineært polarisert lyspolarisasjonsretning langs A-aksen og B-aksen til krystallen, og den tilsvarende bevegelsesmodusen er illustrert; C. Sammenligning mellom teoretisk simulering og eksperimentell observasjon; de: Symmetriutvikling av systemet og posisjon, antall og separasjonsgrad for de to nærmeste Weyl-punktene i kz=0-planet
FIG. 4. Fototopologisk faseovergang i Td-WTe2 for lineært polarisert lysfotonenergi (?) ω) og polarisasjonsretnings (θ) avhengig fasediagram
Innleggstid: 25. september 2023