Framsteg har gjorts i studien av ultrasnabb rörelse av Weil kvasipartiklar kontrollerade avlasrar
Under de senaste åren har den teoretiska och experimentella forskningen om topologiska kvanttillstånd och topologiska kvantmaterial blivit ett hett ämne inom den kondenserade materiens fysik. Som ett nytt begrepp för materiaklassificering är topologisk ordning, liksom symmetri, ett grundläggande begrepp inom den kondenserade materiens fysik. En djup förståelse av topologi är relaterad till de grundläggande problemen i den kondenserade materiens fysik, såsom den grundläggande elektroniska strukturen förkvantfaser, kvantfasövergångar och excitation av många immobiliserade element i kvantfaser. I topologiska material spelar kopplingen mellan många frihetsgrader, såsom elektroner, fononer och spinn, en avgörande roll för att förstå och reglera materialegenskaper. Ljusexcitation kan användas för att skilja mellan olika interaktioner och manipulera materiens tillstånd och information om materialets grundläggande fysikaliska egenskaper, strukturella fasövergångar och nya kvanttillstånd kan då erhållas. För närvarande har förhållandet mellan makroskopiskt beteende hos topologiska material som drivs av ljusfält och deras mikroskopiska atomstruktur och elektroniska egenskaper blivit ett forskningsmål.
Det fotoelektriska svarsbeteendet hos topologiska material är nära relaterat till dess mikroskopiska elektroniska struktur. För topologiska halvmetaller är bärarexcitationen nära bandskärningen mycket känslig för systemets vågfunktionsegenskaper. Studiet av olinjära optiska fenomen i topologiska halvmetaller kan hjälpa oss att bättre förstå de fysiska egenskaperna hos de exciterade tillstånden i systemet, och det förväntas att dessa effekter kan användas vid tillverkning avoptiska anordningaroch utformningen av solceller, vilket ger potentiella praktiska tillämpningar i framtiden. Till exempel, i en Weyl-halvmetall, kommer absorbering av en foton av cirkulärt polariserat ljus att få spinnet att vända, och för att möta bevarandet av vinkelmomentet kommer elektronexcitationen på båda sidor av Weyl-konen att vara asymmetriskt fördelad längs riktningen för det cirkulärt polariserade ljusets utbredning, vilket kallas den kirala urvalsregeln (Figur 1).
Den teoretiska studien av olinjära optiska fenomen av topologiska material använder vanligtvis metoden att kombinera beräkning av material grundtillståndsegenskaper och symmetrianalys. Denna metod har dock vissa brister: den saknar realtidsdynamisk information från exciterade bärare i momentumrymd och verklig rymd, och den kan inte upprätta en direkt jämförelse med den tidsupplösta experimentella detektionsmetoden. Kopplingen mellan elektron-fononer och foton-fononer kan inte beaktas. Och detta är avgörande för att vissa fasövergångar ska inträffa. Dessutom kan denna teoretiska analys baserad på störningsteori inte hantera de fysiska processerna under det starka ljusfältet. Den tidsberoende densitetsfunktionella molekyldynamik (TDDFT-MD) simuleringen baserad på första principer kan lösa ovanstående problem.
Nyligen, under ledning av forskaren Meng Sheng, postdoktorn Guan Mengxue och doktoranden Wang En från SF10-gruppen vid State Key Laboratory of Surface Physics vid Institute of Physics vid den kinesiska vetenskapsakademin/Peking National Research Center for Concentrated Matter Fysik, i samarbete med professor Sun Jiatao vid Beijing Institute of Technology, använde de den egenutvecklade programvaran TDAP för simulering av excited state dynamics. Svarsegenskaperna för quastiparticle excitation till ultrasnabb laser i den andra typen av Weyl semi-metall WTe2 undersöks.
Det har visat sig att den selektiva exciteringen av bärare nära Weyl-punkten bestäms av atomomloppssymmetri och övergångsvalsregel, som skiljer sig från den vanliga spinnvalsregeln för kiral excitation, och dess excitationsväg kan styras genom att ändra polarisationsriktningen av linjärt polariserat ljus och fotonenergi (FIG. 2).
Den asymmetriska exciteringen av bärare inducerar fotoströmmar i olika riktningar i det verkliga rummet, vilket påverkar riktningen och symmetrin hos systemets mellanskiktsglidning. Eftersom de topologiska egenskaperna hos WTe2, såsom antalet Weyl-punkter och graden av separation i momentumutrymmet, är starkt beroende av systemets symmetri (Figur 3), kommer den asymmetriska exciteringen av bärare att åstadkomma olika beteende hos Weyl kvastipartiklar i rörelsemängden och motsvarande förändringar i systemets topologiska egenskaper. Således ger studien ett tydligt fasdiagram för fototopologiska fasövergångar (Figur 4).
Resultaten visar att kiraliteten av bärarexcitation nära Weyl-punkten bör uppmärksammas och vågfunktionens atomomloppsegenskaper bör analyseras. Effekterna av de två är likartade men mekanismen är uppenbarligen olika, vilket ger en teoretisk grund för att förklara singulariteten hos Weyl-punkter. Dessutom kan den beräkningsmetod som används i denna studie på djupet förstå de komplexa interaktionerna och dynamiska beteenden på atomär och elektronisk nivå i en supersnabb tidsskala, avslöja deras mikrofysiska mekanismer och förväntas vara ett kraftfullt verktyg för framtida forskning om olinjära optiska fenomen i topologiska material.
Resultaten finns i tidskriften Nature Communications. Forskningsarbetet stöds av National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation och det strategiska pilotprojektet (kategori B) från den kinesiska vetenskapsakademin.
FIG.1.a. Kiralitetsurvalsregeln för Weyl-punkter med positivt kiralitetstecken (χ=+1) under cirkulärt polariserat ljus; Selektiv excitation på grund av atomomloppssymmetri vid Weyl-punkten av b. χ=+1 i on-line polariserat ljus
FIKON. 2. Atomstrukturdiagram för a, Td-WTe2; b. Bandstruktur nära Fermi-ytan; (c) Bandstruktur och relativa bidrag från atomorbitaler fördelade längs höga symmetriska linjer i Brillouin-regionen, pilar (1) och (2) representerar excitation nära eller långt från Weyl-punkter, respektive; d. Amplifiering av bandstruktur längs Gamma-X-riktningen
FIG.3.ab: Den relativa mellanskiktsrörelsen av linjärt polariserat ljuspolarisationsriktning längs kristallens A-axel och B-axel, och motsvarande rörelsemod illustreras; C. Jämförelse mellan teoretisk simulering och experimentell observation; de: Symmetriutveckling av systemet och position, antal och separationsgrad för de två närmaste Weyl-punkterna i kz=0-planet
FIKON. 4. Fototopologisk fasövergång i Td-WTe2 för linjärt polariserad ljusfotonenergi (?) ω) och polarisationsriktningsberoende (θ) fasdiagram
Posttid: 25 september 2023