Napredak je postignut u proučavanju ultrabrzog kretanja Weilovih kvazičestica kontrolisanih laserima

Napredak je postignut u proučavanju ultrabrzog kretanja Weilovih kvazičestica koje kontrolišelaseri

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 poredak, kao i simetrija, je fundamentalni koncept u fizici kondenzovane materije. Duboko razumijevanje topologije povezano je sa osnovnim problemima u fizici kondenzirane materije, kao što je osnovna elektronska strukturakvantne faze, kvantni fazni prijelazi i pobuda mnogih imobiliziranih elemenata u kvantnim fazama. U topološkim materijalima, sprega između mnogih stupnjeva slobode, kao što su elektroni, fononi i spin, igra odlučujuću ulogu u razumijevanju i regulaciji svojstava materijala. Svjetlosna pobuda se može koristiti za razlikovanje različitih interakcija i manipuliranje stanjem materije, a zatim se mogu dobiti informacije o osnovnim fizičkim svojstvima materijala, strukturnim faznim prijelazima i novim kvantnim stanjima. Trenutno, odnos između makroskopskog ponašanja topoloških materijala pokretanih svjetlosnim poljem i njihove mikroskopske atomske strukture i elektronskih svojstava postao je cilj istraživanja.

Ponašanje fotoelektričnog odgovora topoloških materijala usko je povezano s njegovom mikroskopskom elektronskom strukturom. Za topološke polumetale, pobuđivanje nosioca u blizini preseka pojasa je veoma osetljivo na karakteristike talasne 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 ti efekti mogu koristiti u proizvodnjioptički uređajii dizajn solarnih ćelija, pružajući potencijalne praktične primjene u budućnosti. Na primjer, kod Weylovog polumetala, apsorbiranje fotona kružno polarizirane svjetlosti će uzrokovati okretanje spina, a kako bi se zadovoljilo očuvanje ugaonog momenta, pobuđivanje elektrona na obje strane Weylovog konusa bit će asimetrično raspoređeno duž smjer kružno polariziranog širenja svjetlosti, koji se naziva pravilo kiralne selekcije (slika 1).

Teorijsko proučavanje nelinearnih optičkih fenomena topoloških materijala obično usvaja metodu kombinovanja proračuna svojstava osnovnog stanja materijala i analize simetrije. Međutim, ova metoda ima neke nedostatke: nedostaje joj dinamička informacija o pobuđenim nosiocima u realnom vremenu u prostoru impulsa i realnom prostoru i ne može uspostaviti direktnu usporedbu sa vremenski razlučenom eksperimentalnom metodom detekcije. Spoj između elektron-fonona i foton-fonona se ne može razmatrati. A ovo je ključno za određene fazne prelaze. Osim toga, ova teorijska analiza zasnovana na teoriji perturbacije ne može se baviti fizičkim procesima pod jakim svjetlosnim poljem. Simulacija funkcionalne molekularne dinamike gustoće ovisno o vremenu (TDDFT-MD) zasnovana na prvim principima može riješiti gore navedene probleme.

Nedavno, pod vodstvom istraživača Meng Shenga, postdoktorskog istraživača Guana Mengxuea i doktoranta Wang En iz grupe SF10 Državne ključne laboratorije za fiziku površine Instituta za fiziku Kineske akademije nauka/Pekinškog nacionalnog istraživačkog centra za koncentriranu materiju Fizike, u saradnji sa profesorom Sun Jiataom sa Pekinškog tehnološkog instituta, koristili su softver za simulaciju dinamike uzbuđenog stanja TDAP koji su sami razvili. Istražene su karakteristike odgovora pobuđivanja kvastičestica na ultrabrzi laser u drugoj vrsti Weyl polumetala WTe2.

Pokazalo se da je selektivna pobuda nosača u blizini Weylove točke određena atomskom orbitalnom simetrijom i pravilom odabira prijelaza, koje se razlikuje od uobičajenog pravila selekcije spina za kiralnu pobudu, a njegova putanja pobude može se kontrolirati promjenom smjera polarizacije. linearno polarizovane svetlosti i energije fotona (slika 2).

Asimetrična pobuda nosilaca indukuje fotostruje u različitim pravcima u realnom prostoru, što utiče na smer i simetriju međuslojnog klizanja sistema. Budući da topološka svojstva WTe2, kao što je broj Weylovih tačaka i stepen razdvajanja u prostoru impulsa, u velikoj mjeri zavise od simetrije sistema (slika 3), asimetrična pobuda nosilaca će dovesti do drugačijeg ponašanja Weyl-a. kvastičestice u impulsnom prostoru i odgovarajuće promjene u topološkim svojstvima sistema. Dakle, studija daje jasan fazni dijagram za fototopološke fazne prelaze (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 mehanizam je očigledno drugačiji, što pruža teorijsku osnovu za objašnjenje singularnosti Weylovih tačaka. Osim toga, računska metoda usvojena u ovoj studiji može duboko razumjeti složene interakcije i dinamička ponašanja na atomskom i elektronskom nivou u superbrzoj vremenskoj skali, otkriti njihove mikrofizičke mehanizme i očekuje se da će biti moćno sredstvo za buduća istraživanja o nelinearne optičke pojave u topološkim materijalima.

Rezultati su u časopisu Nature Communications. Istraživački rad je podržan od strane Nacionalnog ključnog plana istraživanja i razvoja, Nacionalne fondacije za prirodne nauke i Strateškog pilot projekta (Kategorija B) Kineske akademije nauka.

SLIKA 1.a. Pravilo selekcije kiralnosti za Weyl tačke sa pozitivnim predznakom kiralnosti (χ=+1) pod kružno polarizovanim svetlom; Selektivna ekscitacija zbog atomske orbitalne simetrije u Weyl točki b. χ=+1 u on-line polarizovanom svetlu

Fig. 2. Dijagram atomske strukture a, Td-WTe2; b. Tračna struktura blizu Fermijeve površine; (c) Struktura pojasa i relativni doprinosi atomskih orbitala raspoređenih duž visokih simetričnih linija u Brillouinovom području, strelice (1) i (2) predstavljaju ekscitaciju blizu ili daleko od Weylovih tačaka, respektivno; d. Pojačanje strukture traka duž Gamma-X pravca

SLIKA 3.ab: Relativno međuslojno kretanje smjera linearno polarizirane polarizacije svjetlosti duž A-ose i B-ose kristala, i ilustrovan je odgovarajući način kretanja; C. Poređenje između teorijske simulacije i eksperimentalnog posmatranja; de: Evolucija simetrije sistema i položaj, broj i stepen razdvajanja dve najbliže Weyl tačke u kz=0 ravni

Fig. 4. Fototopološki fazni prijelaz u Td-WTe2 za linearno polariziranu svjetlosnu energiju fotona (?) ω) i fazni dijagram zavisan od smjera polarizacije (θ)