Postignut je napredak u proučavanju ultrabrzog gibanja Weilovih kvazičestica kojima upravljalaseri
Posljednjih godina teoretsko i eksperimentalno istraživanje topoloških kvantnih stanja i topoloških kvantnih materijala postalo je vruća tema u području fizike kondenzirane tvari.Kao novi koncept klasifikacije materije, topološki poredak, kao i simetrija, temeljni je koncept u fizici kondenzirane tvari.Duboko razumijevanje topologije povezano je s osnovnim problemima u fizici kondenzirane tvari, kao što je osnovna elektronička strukturakvantne faze, kvantni fazni prijelazi i ekscitacija 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 reguliranju svojstava materijala.Svjetlosna ekscitacija može se koristiti za razlikovanje između različitih interakcija i manipuliranje stanjem materije, a zatim se mogu dobiti informacije o osnovnim fizičkim svojstvima materijala, strukturnim faznim prijelazima i novim kvantnim stanjima.Trenutačno je cilj istraživanja postao odnos između makroskopskog ponašanja topoloških materijala pokretanih svjetlosnim poljem i njihove mikroskopske atomske strukture i elektroničkih svojstava.
Ponašanje fotoelektričnog odziva topoloških materijala usko je povezano s njegovom mikroskopskom elektronskom strukturom.Za topološke polumetale, pobuda nositelja u blizini sjecišta vrpci vrlo je osjetljiva 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, apsorbiranje fotona cirkularno polarizirane svjetlosti uzrokovat će okretanje spina, a kako bi se zadovoljilo očuvanje kutne količine gibanja, elektronska ekscitacija na obje strane Weylovog stošca bit će asimetrično raspoređena duž smjer širenja cirkularno polarizirane svjetlosti, što se naziva kiralno selekcijsko pravilo (slika 1).
Teoretsko proučavanje nelinearnih optičkih fenomena topoloških materijala obično usvaja metodu kombiniranja proračuna svojstava osnovnog stanja materijala i analize simetrije.Međutim, ova metoda ima neke nedostatke: nedostaju joj dinamičke informacije u stvarnom vremenu pobuđenih nositelja u prostoru količine gibanja i stvarnom prostoru i ne može uspostaviti izravnu usporedbu s eksperimentalnom metodom detekcije s vremenskim razlučivostima.Sprezanje između elektron-fonona i foton-fonona ne može se uzeti u obzir.A to je ključno da se dogode određeni fazni prijelazi.Osim toga, ova teorijska analiza temeljena na teoriji perturbacije ne može se baviti fizičkim procesima pod jakim svjetlosnim poljem.Simulacija vremenski ovisne funkcionalne molekularne dinamike gustoće (TDDFT-MD) koja se temelji na prvim principima može riješiti gore navedene probleme.
Nedavno, pod vodstvom istraživača Meng Shenga, postdoktoranda Guan Mengxuea i doktoranda Wang En iz grupe SF10 Državnog ključnog laboratorija za površinsku fiziku Instituta za fiziku Kineske akademije znanosti/Pekinškog Nacionalnog istraživačkog centra za koncentriranu tvar Physics, u suradnji s profesorom Sun Jiataom s Instituta za tehnologiju u Pekingu, koristili su softver za simulaciju dinamike pobuđenog stanja TDAP koji su sami razvili.Istražuju se karakteristike odziva kvazičestične pobude na ultrabrzi laser u drugoj vrsti Weylovog polumetala WTe2.
Pokazalo se da je selektivna ekscitacija nositelja u blizini Weylove točke određena atomskom orbitalnom simetrijom i pravilom odabira prijelaza, koje se razlikuje od uobičajenog pravila odabira spina za kiralnu ekscitaciju, a njegov put ekscitacije može se kontrolirati promjenom smjera polarizacije linearno polarizirane svjetlosti i energije fotona (SL. 2).
Asimetrična ekscitacija nositelja inducira fotostruje u različitim smjerovima u realnom prostoru, što utječe na smjer i simetriju međuslojnog klizanja sustava.Budući da su topološka svojstva WTe2, kao što je broj Weylovih točaka i stupanj razdvajanja u prostoru momenta, jako ovisna o simetriji sustava (slika 3), asimetrična pobuda nositelja dovest će do različitog ponašanja Weylovog kvazičestica u prostoru količine gibanja i odgovarajućih promjena u topološkim svojstvima sustava.Stoga studija daje jasan fazni dijagram za fototopološke fazne prijelaze (Slika 4).
Rezultati pokazuju da treba obratiti pozornost na kiralnost pobude nositelja u blizini Weylove točke i analizirati atomska orbitalna svojstva valne funkcije.Učinci ta dva su slični, ali je mehanizam očito drugačiji, što daje teoretsku 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 superbrzom vremenskom rasponu, otkriti njihove mikrofizičke mehanizme i očekuje se da će biti moćan alat za buduća istraživanja na nelinearni optički fenomeni u topološkim materijalima.
Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Communications.Istraživački rad podupiru Nacionalni ključni plan istraživanja i razvoja, Nacionalna zaklada za prirodne znanosti i Strateški pilot projekt (Kategorija B) Kineske akademije znanosti.
SL.1.a.Pravilo odabira kiralnosti za Weylove točke s pozitivnim predznakom kiralnosti (χ=+1) pod cirkularno polariziranim svjetlom;Selektivna ekscitacija zbog atomske orbitalne simetrije u Weylovoj točki b.χ=+1 u on-line polariziranom svjetlu
SLIKA2. Dijagram atomske strukture a, Td-WTe2;b.Trakasta struktura blizu Fermijeve površine;(c) Trakasta struktura i relativni doprinosi atomskih orbitala raspoređenih duž visokih simetričnih linija u Brillouinovom području, strelice (1) i (2) predstavljaju ekscitaciju blizu ili daleko od Weylovih točaka;d.Pojačanje vrpčaste strukture duž smjera Gamma-X
SLIKA 3.ab: Relativno međuslojno kretanje linearno polariziranog smjera polarizacije svjetlosti duž A-osi i B-osi kristala, i ilustriran je odgovarajući način kretanja;C. Usporedba između teorijske simulacije i eksperimentalnog promatranja;de: Razvoj simetrije sustava i položaj, broj i stupanj odvojenosti dviju najbližih Weylovih točaka u ravnini kz=0
SLIKA4. Fototopološki fazni prijelaz u Td-WTe2 za linearno polariziranu energiju fotona svjetlosti (?) ω) i fazni dijagram ovisan o smjeru polarizacije (θ)
Vrijeme objave: 25. rujna 2023