Det er gjort fremskritt i studiet av ultrahurtig bevegelse av Weil-kvasipartikler kontrollert avlasere
I de senere årene har teoretisk og eksperimentell forskning på topologiske kvantetilstander og topologiske kvantematerialer blitt et hett tema innen fysikk av kondensert materie. Som et nytt konsept for materieklassifisering er topologisk orden, i likhet med symmetri, et grunnleggende konsept i fysikk av kondensert materie. En dyp forståelse av topologi er knyttet til de grunnleggende problemene i fysikk av kondensert materie, 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 i 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 til topologiske materialer drevet av lysfelt og deres mikroskopiske atomstruktur og elektroniske egenskaper blitt et forskningsmål.
Den fotoelektriske responsen til topologiske materialer er nært knyttet til deres mikroskopiske elektroniske struktur. For topologiske halvmetaller er bærebølgeeksitasjonen nær båndskjæringspunktet svært følsom for systemets bølgefunksjonsegenskaper. Studiet av ikke-lineære optiske fenomener i topologiske halvmetaller kan hjelpe oss å bedre forstå de fysiske egenskapene til systemets eksiterte tilstander, og det forventes at disse effektene kan brukes i produksjonen avoptiske enheterog design av solceller, noe som gir potensielle praktiske anvendelser i fremtiden. For eksempel, i et Weyl-halvmetall, vil absorpsjon av et foton av sirkulært polarisert lys føre til at spinnet snur, og for å oppfylle bevaring av vinkelmomentum vil elektroneksitasjonen på begge sider av Weyl-kjeglen være asymmetrisk fordelt langs retningen av den sirkulært polariserte lysforplantningen, som kalles den kirale seleksjonsregelen (figur 1).
Den teoretiske studien av ikke-lineære optiske fenomener i topologiske materialer benytter vanligvis metoden med å kombinere beregning av materialets grunntilstandsegenskaper og symmetrianalyse. Denne metoden har imidlertid noen mangler: den mangler sanntids dynamisk informasjon om eksiterte bærere i momentumrom og reelt rom, og den kan ikke etablere en direkte sammenligning med den tidsoppløste eksperimentelle deteksjonsmetoden. Koblingen mellom elektron-fononer og foton-fononer kan ikke tas i betraktning. Og dette er avgjørende for at visse faseoverganger skal kunne skje. I tillegg kan ikke denne teoretiske analysen basert på perturbasjonsteori håndtere de fysiske prosessene under det sterke lysfeltet. Simuleringen av tidsavhengig tetthetsfunksjonell molekylær dynamikk (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 of the Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, i samarbeid med professor Sun Jiatao ved Beijing Institute of Technology, brukte de den egenutviklede programvaren TDAP for simulering av eksiterte tilstandsdynamikk. Responsegenskapene til kvasipartikkeleksitasjon til ultrahurtig laser i den andre typen Weyl-halvmetall WTe2 undersøkes.
Det har blitt vist at den selektive eksitasjonen av bærere nær Weyl-punktet bestemmes av atomorbitalsymmetri og overgangsseleksjonsregelen, som er forskjellig fra den vanlige spinnseleksjonsregelen for kiral eksitasjon, og eksitasjonsbanen kan kontrolleres ved å endre polarisasjonsretningen til 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 sterkt avhengige av systemets symmetri (figur 3), vil den asymmetriske eksitasjonen av bærere føre til ulik oppførsel av Weyl-kvastipartikler i momentumrommet og tilsvarende endringer i systemets topologiske egenskaper. Studien gir dermed et tydelig fasediagram for fototopologiske faseoverganger (figur 4).
Resultatene viser at man bør være oppmerksom på kiraliteten til bærebølgeeksitasjonen nær Weyl-punktet, og at bølgefunksjonens atomorbitale egenskaper 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-punkter. I tillegg kan beregningsmetoden som er brukt i denne studien, dyptgående forstå de komplekse interaksjonene og dynamiske oppførselene 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 publisert i tidsskriftet Nature Communications. Forskningsarbeidet støttes av National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation og Strategic Pilot Project (kategori B) ved Det kinesiske vitenskapsakademiet.
FIG.1.a. Regelen for kiralitetsseleksjon for Weyl-punkter med positivt kiralitetstegn (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 for a, Td-WTe2; b. Båndstruktur nær Fermi-overflaten; (c) Båndstruktur og relative bidrag fra atomorbitaler fordelt langs høysymmetriske linjer i Brillouin-regionen, pilene (1) og (2) representerer eksitasjon nær eller langt fra Weyl-punkter, henholdsvis; d. Amplifikasjon av båndstruktur langs Gamma-X-retningen
FIG.3.ab: Den relative bevegelsen mellom lagene for lineært polarisert lyspolarisasjonsretning langs krystallens A-akse og B-akse, og den tilsvarende bevegelsesmodusen er illustrert; C. Sammenligning mellom teoretisk simulering og eksperimentell observasjon; de: Symmetriutvikling av systemet og posisjonen, antallet og graden av separasjon av de to nærmeste Weyl-punktene i kz=0-planet
FIG. 4. Fototopologisk faseovergang i Td-WTe2 for lineært polarisert lysfotonenergi (?) ω) og polarisasjonsretningsavhengig (θ) fasediagram
Publisert: 25. september 2023