Framsteg har gjorts i studiet av ultrasnabb rörelse hos Weil-kvasipartiklar som kontrolleras avlasrar
Under senare år har teoretisk och experimentell forskning om topologiska kvanttillstånd och topologiska kvantmaterial blivit ett hett ämne inom kondenserad materiens fysik. Som ett nytt koncept för materieklassificering är topologisk ordning, liksom symmetri, ett grundläggande begrepp inom kondenserad materiens fysik. En djup förståelse av topologi är relaterad till de grundläggande problemen inom kondenserad materiens fysik, såsom den grundläggande elektroniska strukturen hoskvantfaser, 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 sambandet mellan makroskopiskt beteende hos topologiska material drivet av ljusfält och deras mikroskopiska atomstruktur och elektroniska egenskaper blivit ett forskningsmål.
Det fotoelektriska responsbeteendet hos topologiska material är nära relaterat till dess mikroskopiska elektroniska struktur. För topologiska halvmetaller är bärvågsexcitationen nära bandskärningen mycket känslig för systemets vågfunktionsegenskaper. Studiet av ickelinjära optiska fenomen i topologiska halvmetaller kan hjälpa oss att bättre förstå de fysikaliska egenskaperna hos systemets exciterade tillstånd, och det förväntas att dessa effekter kan användas vid tillverkning avoptiska anordningaroch designen av solceller, vilket ger potentiella praktiska tillämpningar i framtiden. Till exempel, i en Weyl-halvmetall, kommer absorptionen av en foton av cirkulärt polariserat ljus att orsaka att spinnet vänds, och för att uppfylla kravet på bevarande av rörelsemängdsmoment kommer elektronexcitationen på båda sidor av Weyl-konen att vara asymmetriskt fördelad längs riktningen för det cirkulärt polariserade ljusets utbredning, vilket kallas den kirala selektionsregeln (Figur 1).
Den teoretiska studien av ickelinjära optiska fenomen hos topologiska material använder vanligtvis metoden att kombinera beräkning av materialets grundtillståndsegenskaper och symmetrianalys. Denna metod har dock vissa brister: den saknar realtidsdynamisk information om exciterade bärvågor i momentumrum och verkligt rum, 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 ske. Dessutom kan denna teoretiska analys baserad på störningsteori inte hantera de fysikaliska processerna under det starka ljusfältet. Simuleringen av tidsberoende densitetsfunktionell molekylär dynamik (TDDFT-MD) baserad på grundläggande 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 of the Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, i samarbete med professor Sun Jiatao vid Beijing Institute of Technology, använde de den egenutvecklade simuleringsprogramvaran TDAP för exciterat tillståndsdynamik. Responsegenskaperna för kvasipartikelexcitation till ultrasnabb laser i den andra typen av Weyl-halvmetall WTe2 undersöks.
Det har visats att den selektiva excitationen av bärare nära Weyl-punkten bestäms av atomorbitalsymmetri och övergångsselektionsregel, vilket skiljer sig från den vanliga spinnselektionsregeln för kiral excitation, och dess excitationsväg kan styras genom att ändra polarisationsriktningen för linjärt polariserat ljus och fotonenergi (FIG. 2).
Den asymmetriska excitationen av bärare inducerar fotoströmmar i olika riktningar i det verkliga rummet, vilket påverkar riktningen och symmetrin för systemets mellanskiktsförskjutning. Eftersom de topologiska egenskaperna hos WTe2, såsom antalet Weyl-punkter och graden av separation i momentumrummet, är starkt beroende av systemets symmetri (Figur 3), kommer den asymmetriska excitationen av bärare att medföra olika beteenden hos Weyl-kvastipartiklar i momentumrummet och motsvarande förändringar i systemets topologiska egenskaper. Studien ger således ett tydligt fasdiagram för fototopologiska fasövergångar (Figur 4).
Resultaten visar att man bör uppmärksamma kiraliteten hos bärvågsexcitationen nära Weyl-punkten, och att vågfunktionens atomorbitalegenskaper 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 djupt förstå de komplexa interaktionerna och dynamiska beteendena på atom- och elektronnivå i en supersnabb tidsskala, avslöja deras mikrofysikaliska mekanismer och förväntas vara ett kraftfullt verktyg för framtida forskning om ickelinjära optiska fenomen i topologiska material.
Resultaten finns publicerade i tidskriften Nature Communications. Forskningsarbetet stöds av National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation och det strategiska pilotprojektet (kategori B) vid den kinesiska vetenskapsakademin.
FIG.1.a. Regeln för kiralitetsselektion för Weyl-punkter med positivt kiralitetstecken (χ=+1) under cirkulärt polariserat ljus; Selektiv excitation på grund av atomorbitalsymmetri vid Weyl-punkten för b. χ=+1 i online-polariserat ljus
FIG. 2. Atomstrukturdiagram för a, Td-WTe2; b. Bandstruktur nära Fermi-ytan; (c) Bandstruktur och relativa bidrag från atomorbitaler fördelade längs högsymmetriska linjer i Brillouin-regionen, pilarna (1) och (2) representerar excitation nära respektive långt från Weyl-punkter; d. Amplifiering av bandstruktur längs Gamma-X-riktningen
FIG.3.ab: Den relativa mellanskiktsrörelsen för linjärt polariserat ljuss polarisationsriktning längs kristallens A-axel och B-axel, och motsvarande rörelseläge, illustreras; C. Jämförelse mellan teoretisk simulering och experimentell observation; de: Systemets symmetriutveckling och position, antal och grad av separation mellan de två närmaste Weyl-punkterna i kz=0-planet
FIG. 4. Fototopologisk fasövergång i Td-WTe2 för linjärt polariserat ljusfotonenergi (?) ω) och polarisationsriktningsberoende fasdiagram (θ).
Publiceringstid: 25 sep-2023