V štúdii ultrarýchleho pohybu Weilových kvázičastíc riadenýchlasery
V posledných rokoch sa teoretický a experimentálny výskum topologických kvantových stavov a topologických kvantových materiálov stal horúcou témou v oblasti fyziky kondenzovaných látok. Topologický poriadok, podobne ako symetria, je ako nový koncept klasifikácie hmoty základným konceptom fyziky kondenzovaných látok. Hlboké pochopenie topológie súvisí so základnými problémami fyziky kondenzovaných látok, ako je napríklad základná elektrónová štruktúra...kvantové fázy, kvantové fázové prechody a excitácia mnohých imobilizovaných prvkov v kvantových fázach. V topologických materiáloch hrá väzba medzi mnohými stupňami voľnosti, ako sú elektróny, fonóny a spin, rozhodujúcu úlohu v pochopení a regulácii materiálových vlastností. Svetelná excitácia sa môže použiť na rozlíšenie medzi rôznymi interakciami a manipuláciu so stavom hmoty, čím sa dajú získať informácie o základných fyzikálnych vlastnostiach materiálu, štrukturálnych fázových prechodoch a nových kvantových stavoch. V súčasnosti sa výskumným cieľom stal vzťah medzi makroskopickým správaním topologických materiálov riadeným svetelným poľom a ich mikroskopickou atómovou štruktúrou a elektronickými vlastnosťami.
Fotoelektrické správanie topologických materiálov úzko súvisí s ich mikroskopickou elektronickou štruktúrou. V prípade topologických polokovov je excitácia nosičov v blízkosti priesečníka pásiem vysoko citlivá na charakteristiky vlnovej funkcie systému. Štúdium nelineárnych optických javov v topologických polokovoch nám môže pomôcť lepšie pochopiť fyzikálne vlastnosti excitovaných stavov systému a očakáva sa, že tieto efekty sa dajú využiť pri výrobe...optické zariadeniaa návrh solárnych článkov, čo poskytuje potenciálne praktické využitie v budúcnosti. Napríklad vo Weylovom polokove absorpcia fotónu kruhovo polarizovaného svetla spôsobí zmenu spinu a aby sa splnilo zachovanie momentu hybnosti, bude excitácia elektrónov na oboch stranách Weylovho kužeľa asymetricky rozložená pozdĺž smeru šírenia kruhovo polarizovaného svetla, čo sa nazýva chirálne selekčné pravidlo (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: chýbajú jej dynamické informácie o excitovaných nosičoch v reálnom čase v priestore hybnosti a reálnom priestore a nedokáže vykonať priame porovnanie s časovo rozlíšenou experimentálnou detekčnou metódou. Nemožno zohľadniť väzbu medzi elektrón-fonónmi a fotón-fonónmi. A to je kľúčové pre výskyt určitých fázových prechodov. Okrem toho táto teoretická analýza založená na teórii perturbácií nedokáže spracovať fyzikálne procesy v silnom svetelnom poli. Simulácia časovo závislej molekulárnej dynamiky funkcionálu hustoty (TDDFT-MD) založená na prvých princípoch dokáže vyriešiť vyššie uvedené problémy.
Nedávno pod vedením výskumníka Meng Shenga, postdoktorandského výskumníka Guana Mengxuea a doktoranda Wang Ena zo skupiny SF10 Štátneho kľúčového laboratória povrchovej fyziky Fyzikálneho ústavu Čínskej akadémie vied/Pekinského národného výskumného centra pre fyziku koncentrovaných látok v spolupráci s profesorom Sun Jiataom z Pekinského technologického inštitútu použili vlastnoručne vyvinutý softvér na simuláciu dynamiky excitovaného stavu TDAP. V štúdii sa skúmajú charakteristiky odozvy excitácie kvázičastíc ultrarýchlym laserom v druhom druhu Weylového polokovu WTe2.
Ukázalo sa, že selektívna excitácia nosičov náboja v blízkosti Weylovej oblasti je určená atómovou orbitálnou symetriou a pravidlom výberu prechodov, ktoré sa líši od bežného pravidla výberu spinu pre chirálnu excitáciu, a jej excitačná dráha sa dá riadiť zmenou smeru polarizácie lineárne polarizovaného svetla a energie fotónu (obr. 2).
Asymetrická excitácia nosičov náboja indukuje fotoprúdy v rôznych smeroch v reálnom priestore, čo ovplyvňuje smer a symetriu medzivrstvového sklzu systému. Keďže topologické vlastnosti WTe2, ako je počet Weylových bodov a stupeň oddelenia v hybnom priestore, sú vysoko závislé od symetrie systému (obrázok 3), asymetrická excitácia nosičov náboja spôsobí odlišné správanie Weylových kvazistikúl v hybnom priestore a zodpovedajúce zmeny v topologických vlastnostiach systému. Štúdia tak poskytuje jasný fázový diagram pre fototopologické fázové prechody (obrázok 4).
Výsledky ukazujú, že by sa mala venovať pozornosť chiralite excitácie nosičov v blízkosti Weylového bodu a mali by sa analyzovať vlastnosti vlnovej funkcie na atómových orbitáloch. Účinky týchto dvoch faktorov sú podobné, ale mechanizmus je zjavne odlišný, čo poskytuje teoretický základ pre vysvetlenie singularity Weylových bodov. Okrem toho výpočtová metóda použitá v tejto štúdii umožňuje hlboko pochopiť komplexné interakcie a dynamické správanie na atómovej a elektrónovej úrovni v super rýchlom časovom horizonte, odhaliť ich mikrofyzikálne mechanizmy a očakáva sa, že bude silným nástrojom pre budúci výskum nelineárnych optických javov v topologických materiáloch.
Výsledky sú publikované 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.
OBR. 1.a. Pravidlo výberu chirality pre Weylove body s kladným znamienkom chirality (χ=+1) v kruhovo polarizovanom svetle; Selektívna excitácia v dôsledku atómovej orbitálnej symetrie vo Weylovom bode b. χ=+1 v online polarizovanom svetle
OBR. 2. Schéma atómovej štruktúry a, Td-WTe2; b. Pásová štruktúra v blízkosti Fermiho povrchu; (c) Pásová štruktúra a relatívne príspevky atómových orbitálov rozložených pozdĺž vysoko symetrických čiar v Brillouinovej oblasti, šípky (1) a (2) predstavujú excitáciu v blízkosti alebo ďaleko od Weylových bodov; d. Amplifikácia pásovej štruktúry pozdĺž smeru Gamma-X
OBR. 3.ab: Znázornený je relatívny pohyb medzi vrstvami lineárne polarizovaného svetla v smere polarizácie pozdĺž osi A a osi B kryštálu a zodpovedajúci režim pohybu; C. Porovnanie teoretickej simulácie a experimentálneho pozorovania; 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 fázový diagram závislý od energie fotónov lineárne polarizovaného svetla (?) ω) a smeru polarizácie (θ).
Čas uverejnenia: 25. septembra 2023