Pokrok sa dosiahol v štúdiu ultrarýchleho pohybu Weilových kvázičastíc riadených lasermi

Pokrok sa dosiahol v štúdiu ultrarýchleho pohybu Weilových kvázičastíc riadenýchlasery

Teoretický a experimentálny výskum topologických kvantových stavov a topologických kvantových materiálov sa v posledných rokoch stal horúcou témou v oblasti fyziky kondenzovaných látok. Ako nový koncept klasifikácie látok je topologické usporiadanie, podobne ako symetria, základným konceptom fyziky kondenzovaných látok. Hlboké pochopenie topológie súvisí so základnými problémami fyziky kondenzovaných látok, ako je základná elektronická štruktúrakvantové fázy, kvantové fázové prechody a excitácia mnohých imobilizovaných prvkov v kvantových fázach. V topologických materiáloch, spojenie medzi mnohými stupňami voľnosti, ako sú elektróny, fonóny a spin, zohráva rozhodujúcu úlohu pri pochopení a regulácii materiálových vlastností. Svetelná excitácia môže byť použitá na rozlíšenie medzi rôznymi interakciami a manipuláciu so stavom hmoty a potom možno získať informácie o základných fyzikálnych vlastnostiach materiálu, štrukturálnych fázových prechodoch a nových kvantových stavoch. V súčasnosti sa cieľom výskumu stal vzťah medzi makroskopickým správaním topologických materiálov poháňaných svetelným poľom a ich mikroskopickou atómovou štruktúrou a elektronickými vlastnosťami.

Fotoelektrická odozva topologických materiálov úzko súvisí s ich mikroskopickou elektronickou štruktúrou. Pre topologické polokovy je excitácia nosnej v blízkosti priesečníka pásma vysoko citlivá na charakteristiky vlnovej funkcie systému. Štúdium nelineárnych optických javov v topologických polokovoch nám môže pomôcť lepšie pochopiť fyzikálne vlastnosti excitovaných stavov sústavy a predpokladá sa, že tieto efekty možno využiť pri výrobeoptické zariadeniaa dizajn solárnych článkov, ktoré poskytujú potenciálne praktické aplikácie v budúcnosti. Napríklad vo Weylovom polokove absorpcia fotónu kruhovo polarizovaného svetla spôsobí preklopenie rotácie, a aby sa dodržalo zachovanie momentu hybnosti, excitácia elektrónov na oboch stranách Weylovho kužeľa bude asymetricky rozdelená pozdĺž smer šírenia kruhovo polarizovaného svetla, ktorý sa nazýva pravidlo chirálnej selekcie (obrázok 1).

Teoretické štúdium nelineárnych optických javov topologických materiálov zvyčajne využíva metódu kombinácie výpočtu vlastností základného stavu materiálu a analýzy symetrie. Táto metóda má však určité nedostatky: chýba jej dynamická informácia o excitovaných nosičoch v reálnom čase v priestore hybnosti a v reálnom priestore a nemôže zaviesť priame porovnanie s časovo rozlíšenou experimentálnou metódou detekcie. Spojenie medzi elektrón-fonónmi a fotón-fonónmi nemožno uvažovať. A to je rozhodujúce pre určité fázové prechody. Okrem toho sa táto teoretická analýza založená na poruchovej teórii nemôže zaoberať fyzikálnymi procesmi v silnom svetelnom poli. Vyššie uvedené problémy môže vyriešiť časovo závislá simulácia funkčnej molekulovej dynamiky hustoty (TDDFT-MD) založená na prvých princípoch.

Nedávno, pod vedením výskumníčky Meng Sheng, postdoktorandského výskumníka Guan Mengxue a doktoranda Wang Ena zo skupiny SF10 Štátneho kľúčového laboratória povrchovej fyziky Fyzikálneho ústavu Čínskej akadémie vied/Pekingského národného výskumného centra pre koncentrovanú hmotu Fyzika v spolupráci s profesorom Sun Jiatao z Pekingského technologického inštitútu použili vlastný softvér na simuláciu dynamiky excitovaného stavu TDAP. Skúmajú sa charakteristiky odozvy excitácie kvadstičastíc na ultrarýchly laser v druhom druhu Weylového polokovu WTe2.

Ukázalo sa, že selektívna excitácia nosičov v blízkosti Weylovho bodu je určená atómovou orbitálnou symetriou a pravidlom výberu prechodu, ktoré sa líši od bežného pravidla spinového výberu pre chirálnu excitáciu a jeho excitačná dráha môže byť riadená zmenou smeru polarizácie. lineárne polarizovaného svetla a fotónovej energie (obr. 2).

Asymetrické budenie nosičov indukuje v reálnom priestore fotoprúdy v rôznych smeroch, čo ovplyvňuje smer a symetriu medzivrstvového sklzu systému. Pretože topologické vlastnosti WTe2, ako je počet Weylových bodov a stupeň separácie v priestore hybnosti, sú vysoko závislé od symetrie systému (obrázok 3), asymetrické budenie nosičov spôsobí odlišné správanie Weyla. kvastičastíc v priestore hybnosti a zodpovedajúcim zmenám v topologických vlastnostiach systému. Štúdia teda poskytuje jasný fázový diagram pre fototopologické fázové prechody (obrázok 4).

Výsledky ukazujú, že by sa mala venovať pozornosť chiralite excitácie nosiča blízko Weylovho bodu a mali by sa analyzovať atómové orbitálne vlastnosti vlnovej funkcie. Účinky týchto dvoch sú podobné, ale mechanizmus je zjavne odlišný, čo poskytuje teoretický základ na vysvetlenie singularity Weylových bodov. Okrem toho, výpočtová metóda prijatá v tejto štúdii môže hlboko pochopiť zložité interakcie a dynamické správanie na atómovej a elektronickej úrovni v superrýchlom časovom meradle, odhaliť ich mikrofyzikálne mechanizmy a očakáva sa, že bude silným nástrojom pre budúci výskum nelineárne optické javy v topologických materiáloch.

Výsledky sú v časopise Nature Communications. Výskumnú prácu podporuje Národný kľúčový plán výskumu a vývoja, Národná nadácia pre prírodné vedy a Strategický pilotný projekt (kategória B) Čínskej akadémie vied.

1.a. Pravidlo výberu chirality pre Weylove body s kladným znamienkom chirality (χ=+1) pod kruhovo polarizovaným svetlom; Selektívna excitácia v dôsledku atómovej orbitálnej symetrie vo Weylovom bode b. χ=+1 v on-line polarizovanom svetle

Obr. 2. Schéma atómovej štruktúry a, Td-WTe2; b. Štruktúra pásu blízko povrchu Fermi; (c) Pásová štruktúra a relatívne príspevky atómových orbitálov distribuovaných pozdĺž vysokých symetrických línií v Brillouinovej oblasti, šípky (1) a (2) predstavujú excitáciu blízko alebo ďaleko od Weylových bodov; d. Zosilnenie pásovej štruktúry v smere Gamma-X

Obrázok 3.ab: Je znázornený relatívny pohyb medzivrstvy v smere polarizácie lineárne polarizovaného svetla pozdĺž osi A a osi B kryštálu a zodpovedajúci režim pohybu; C. Porovnanie medzi teoretickou simuláciou a experimentálnym pozorovaním; de: Vývoj symetrie systému a poloha, počet a stupeň oddelenia dvoch najbližších Weylových bodov v rovine kz=0

Obr. 4. Fototopologický fázový prechod v Td-WTe2 pre lineárne polarizovanú energiu fotónu svetla (?) ω) a fázový diagram závislý od smeru polarizácie (θ)