Postignut je napredak u proučavanju ultrabrzog gibanja Weilovih kvazičestica kontroliranihlaseri
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, temeljni je koncept u fizici kondenzirane materije. Duboko razumijevanje topologije povezano je s osnovnim problemima u fizici kondenzirane materije, kao što je osnovna elektronička strukturakvantne faze, kvantni fazni prijelazi i pobuđivanje mnogih imobiliziranih elemenata u kvantnim fazama. U topološkim materijalima, sprega između mnogih stupnjeva slobode, poput elektrona, fonona i spina, igra odlučujuću ulogu u razumijevanju i regulaciji svojstava materijala. Svjetlosna pobuđenost može se koristiti za razlikovanje različitih interakcija i manipuliranje stanjem materije, a tada se mogu dobiti informacije o osnovnim fizičkim svojstvima materijala, strukturnim faznim prijelazima i novim kvantnim stanjima. Trenutno je odnos između makroskopskog ponašanja topoloških materijala potaknutih svjetlosnim poljem i njihove mikroskopske atomske strukture i elektroničkih svojstava postao istraživački cilj.
Fotoelektrično ponašanje topoloških materijala usko je povezano s njihovom mikroskopskom elektroničkom strukturom. Za topološke polumetale, pobuđenje nosioca u blizini presjeka vrpci vrlo je osjetljivo na karakteristike valne funkcije sustava. Proučavanje nelinearnih optičkih fenomena u topološkim polumetalima može nam pomoći da bolje razumijemo fizikalna svojstva pobuđenih stanja sustava, a očekuje se da se ti učinci mogu koristiti u proizvodnjioptički 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, pobuđenje elektrona na obje strane Weylovog konusa bit će asimetrično raspoređeno duž smjera širenja kružno polarizirane svjetlosti, što se naziva kiralnim pravilom selekcije (Slika 1).
Teorijski studij nelinearnih optičkih fenomena topoloških materijala obično usvaja metodu kombiniranja izračuna svojstava osnovnog stanja materijala i analize simetrije. Međutim, ova metoda ima neke nedostatke: nedostaju joj dinamičke informacije u stvarnom vremenu o pobuđenim nosiocima u prostoru impulsa i stvarnom prostoru, te ne može uspostaviti izravnu usporedbu s vremenski razlučenom eksperimentalnom metodom detekcije. Sprega između elektron-fonona i foton-fonona ne može se uzeti u obzir. A to je ključno za pojavu određenih faznih prijelaza. Osim toga, ova teorijska analiza temeljena na teoriji perturbacije ne može se baviti fizičkim procesima pod jakim svjetlosnim poljem. Simulacija vremenski ovisne molekularne dinamike funkcionalne gustoće (TDDFT-MD) temeljena na prvim principima može riješiti gore navedene probleme.
Nedavno su, pod vodstvom istraživača Meng Shenga, postdoktoranda Guan Mengxue i doktoranda Wang Ena iz SF10 grupe Državnog ključnog laboratorija za površinsku fiziku Instituta za fiziku Kineske akademije znanosti/Pekinškog nacionalnog istraživačkog centra za fiziku koncentrirane materije, u suradnji s profesorom Sun Jiataom s Pekinškog tehnološkog instituta, koristili vlastito razvijeni softver za simulaciju dinamike pobuđenog stanja TDAP. Istražuju se karakteristike odziva kvazičestične pobude na ultrabrzi laser u drugoj vrsti Weylovog polumetala WTe2.
Pokazano je da je selektivna pobuda nosioca u blizini Weylove točke određena atomskom orbitalnom simetrijom i pravilom odabira prijelaza, što se razlikuje od uobičajenog pravila odabira spina za kiralnu pobudu, a njezin put pobude može se kontrolirati promjenom smjera polarizacije linearno polarizirane svjetlosti i energije fotona (SLIKA 2).
Asimetrična pobuda nosioca inducira fotostruje u različitim smjerovima u stvarnom prostoru, što utječe na smjer i simetriju međuslojnog klizanja sustava. Budući da topološka svojstva WTe2, poput broja Weylovih točaka i stupnja razdvajanja u prostoru impulsa, uvelike ovise o simetriji sustava (slika 3), asimetrična pobuda nosioca dovest će do različitog ponašanja Weylovih kvastičestica u prostoru impulsa i odgovarajućih promjena u topološkim svojstvima sustava. Stoga studija pruža jasan fazni dijagram za fototopološke fazne prijelaze (slika 4).
Rezultati pokazuju da treba obratiti pozornost na kiralnost pobuđivanja nosioca u blizini Weylove točke te analizirati atomska orbitalna svojstva valne funkcije. Učinci ta dva su slični, ali mehanizam je očito različit, što pruža teorijsku osnovu za objašnjenje singularnosti Weylovih točaka. Osim toga, računalna metoda usvojena u ovoj studiji može duboko razumjeti složene interakcije i dinamička ponašanja na atomskoj i elektroničkoj razini u superbrzoj vremenskoj skali, otkriti njihove mikrofizičke mehanizme te se očekuje 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 zaklada za prirodne znanosti i Strateški pilotni projekt (kategorija B) Kineske akademije znanosti.
SL. 1.a. Pravilo odabira kiralnosti za Weylove točke s pozitivnim predznakom kiralnosti (χ=+1) pod kružno polariziranim svjetlom; Selektivna pobuda zbog atomske orbitalne simetrije u Weylovom bodu b. χ=+1 u izravno polariziranom svjetlu
SL. 2. Dijagram atomske strukture a, Td-WTe2; b. Struktura pojasa blizu Fermijeve površine; (c) Struktura pojasa i relativni doprinosi atomskih orbitala raspoređenih duž visokosimetričnih linija u Brillouinovom području, strelice (1) i (2) predstavljaju pobuđenje blizu ili daleko od Weylovih točaka; d. Pojačavanje strukture pojasa duž smjera Gamma-X
SL.3.ab: Prikazano je relativno međuslojno kretanje smjera polarizacije linearno polarizirane svjetlosti duž A-osi i B-osi kristala te odgovarajući način kretanja; C. Usporedba teorijske simulacije i eksperimentalnog promatranja; de: Evolucija simetrije sustava i položaj, broj i stupanj razmaka dviju najbližih Weylovih točaka u ravnini kz=0
SL. 4. Fototopološki fazni prijelaz u Td-WTe2 za fazni dijagram ovisan o energiji fotona linearno polarizirane svjetlosti (?) ω) i smjeru polarizacije (θ)
Vrijeme objave: 25. rujna 2023.