Postignut je napredak u proučavanju ultrabrzog kretanja Weilovih kvazičestica kontrolisanihlaseri
Posljednjih godina, teorijska i eksperimentalna istraživanja topoloških kvantnih stanja i topoloških kvantnih materijala postala su vruća tema u području fizike kondenzirane materije. Kao novi koncept klasifikacije materije, topološki red, poput simetrije, fundamentalni je koncept u fizici kondenzirane materije. Duboko razumijevanje topologije povezano je s osnovnim problemima u fizici kondenzirane materije, kao što je osnovna elektronska strukturakvantne faze, kvantni fazni prijelazi i pobuđivanje mnogih imobiliziranih elemenata u kvantnim fazama. U topološkim materijalima, sprega između mnogih stepeni slobode, kao što su elektroni, fononi i spin, igra odlučujuću ulogu u razumijevanju i regulaciji svojstava materijala. Svjetlosna pobuđenost može se koristiti za razlikovanje različitih interakcija i manipulisanje stanjem materije, te se tada mogu dobiti informacije o osnovnim fizičkim svojstvima materijala, strukturnim faznim prijelazima i novim kvantnim stanjima. Trenutno je odnos između makroskopskog ponašanja topoloških materijala pokretanih svjetlosnim poljem i njihove mikroskopske atomske strukture i elektronskih svojstava postao cilj istraživanja.
Fotoelektrično ponašanje topoloških materijala usko je povezano s njihovom mikroskopskom elektronskom strukturom. Kod topoloških polumetala, pobuđivanje nosioca u blizini presjeka pojaseva je vrlo osjetljivo na karakteristike valne funkcije sistema. Proučavanje nelinearnih optičkih fenomena u topološkim polumetalima može nam pomoći da bolje razumijemo fizička svojstva pobuđenih stanja sistema, a očekuje se da se ovi efekti mogu koristiti u proizvodnji...optički uređajii dizajn solarnih ćelija, pružajući potencijalne praktične primjene u budućnosti. Na primjer, u Weylovom polumetalu, apsorpcija fotona kružno polarizirane svjetlosti uzrokovat će promjenu spina, a kako bi se zadovoljilo očuvanje kutnog momenta, pobuđivanje elektrona na obje strane Weylovog konusa bit će asimetrično raspoređeno duž smjera širenja kružno polarizirane svjetlosti, što se naziva kiralno pravilo selekcije (Slika 1).
Teorijska studija nelinearnih optičkih fenomena topoloških materijala obično usvaja metodu kombinovanja proračuna svojstava osnovnog stanja materijala i analize simetrije. Međutim, ova metoda ima neke nedostatke: nedostaju joj dinamičke informacije u realnom vremenu o pobuđenim nosiocima u prostoru impulsa i realnom prostoru, i ne može uspostaviti direktno poređenje sa vremenski razlučenom eksperimentalnom metodom detekcije. Sprega između elektron-fonona i foton-fonona ne može se uzeti u obzir. A to je ključno za nastanak određenih faznih prelaza. Pored toga, ova teorijska analiza zasnovana na teoriji perturbacije ne može se baviti fizičkim procesima pod jakim svjetlosnim poljem. Simulacija vremenski zavisne molekularne dinamike funkcionalne gustine (TDDFT-MD) zasnovana na prvim principima može riješiti gore navedene probleme.
Nedavno su, pod vodstvom istraživača Meng Shenga, postdoktorskog istraživača Guan Mengxuea i doktoranda Wang Ena iz SF10 grupe Državnog ključnog laboratorija za površinsku fiziku Instituta za fiziku Kineske akademije nauka/Pekinškog nacionalnog istraživačkog centra za fiziku koncentrirane materije, u saradnji s profesorom Sun Jiataom s Pekinškog tehnološkog instituta, koristili samostalno razvijeni softver za simulaciju dinamike pobuđenog stanja TDAP. Istražene su karakteristike odziva kvazičestične ekscitacije na ultrabrzi laser u drugoj vrsti Weylovog polumetala WTe2.
Pokazano je da je selektivna ekscitacija nosilaca u blizini Weylove tačke određena atomskom orbitalnom simetrijom i pravilom selekcije prelaza, što se razlikuje od uobičajenog pravila selekcije spina za kiralnu ekscitaciju, a njen put ekscitacije može se kontrolisati promjenom smjera polarizacije linearno polarizovane svetlosti i energije fotona (SLIKA 2).
Asimetrična ekscitacija nosilaca indukuje fotostruje u različitim smjerovima u realnom prostoru, što utiče na smjer i simetriju međuslojnog klizanja sistema. Budući da topološka svojstva WTe2, kao što su broj Weylovih tačaka i stepen razdvajanja u prostoru impulsa, uveliko zavise od simetrije sistema (Slika 3), asimetrična ekscitacija nosilaca će dovesti do različitog ponašanja Weylovih kvastičestica u prostoru impulsa i odgovarajućih promjena u topološkim svojstvima sistema. Stoga, studija pruža jasan fazni dijagram za fototopološke fazne prijelaze (Slika 4).
Rezultati pokazuju da treba obratiti pažnju na kiralnost pobuđivanja nosioca u blizini Weyl tačke i analizirati atomska orbitalna svojstva valne funkcije. Efekti ova dva su slični, ali je mehanizam očigledno različit, što pruža teorijsku osnovu za objašnjenje singularnosti Weyl tačaka. Osim toga, računarska metoda usvojena u ovoj studiji može duboko razumjeti složene interakcije i dinamička ponašanja na atomskom i elektronskom nivou u super brzoj vremenskoj skali, otkriti njihove mikrofizičke mehanizme i očekuje se da će biti moćan alat za buduća istraživanja nelinearnih optičkih fenomena u topološkim materijalima.
Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Communications. Istraživački rad podržavaju Nacionalni ključni plan istraživanja i razvoja, Nacionalna fondacija za prirodne nauke i Strateški pilotni projekat (kategorija B) Kineske akademije nauka.
SL. 1.a. Pravilo selekcije kiralnosti za Weylove tačke sa pozitivnim znakom kiralnosti (χ=+1) pod cirkularno polarizovanom svjetlošću; Selektivna ekscitacija zbog atomske orbitalne simetrije u Weylovom tački b. χ=+1 u online polarizovanoj svjetlosti
SL. 2. Dijagram atomske strukture a, Td-WTe2; b. Struktura pojasa blizu Fermijeve površine; (c) Struktura pojasa i relativni doprinosi atomskih orbitala raspoređenih duž visoko simetričnih linija u Brillouinovom području, strelice (1) i (2) predstavljaju pobuđivanje blizu ili daleko od Weylovih tačaka, respektivno; d. Amplifikacija strukture pojasa duž Gamma-X pravca
SL.3.ab: Ilustrovano je relativno međuslojno kretanje linearno polarizovanog pravca polarizacije svetlosti duž A-ose i B-ose kristala, kao i odgovarajući način kretanja; C. Poređenje teorijske simulacije i eksperimentalnog posmatranja; de: Evolucija simetrije sistema i položaj, broj i stepen razmaka dve najbliže Weylove tačke u ravni kz=0
SL. 4. Fototopološki fazni prelaz u Td-WTe2 za fazni dijagram koji zavisi od energije fotona linearne polarizacije (?) ω) i smjera polarizacije (θ).
Vrijeme objave: 25. septembar 2023.