Framsteg har gjorts i studien av ultrasnabb rörelse av Weil -kvasipartiklar som kontrolleras avlasers
Under de senaste åren har den teoretiska och experimentella forskningen om topologiska kvanttillstånd och topologiska kvantmaterial blivit ett hett ämne inom området kondenserad materiefysik. Som ett nytt koncept för materiaklassificering är topologisk ordning, som symmetri, ett grundläggande koncept i kondenserad materiefysik. En djup förståelse av topologi är relaterad till de grundläggande problemen i kondenserad materiefysik, till exempel 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 snurr, en avgörande roll i att förstå och reglera materialegenskaper. Lätt excitation kan användas för att skilja mellan olika interaktioner och manipulera materiens tillstånd, och information om materialets grundläggande fysiska egenskaper, strukturella fasövergångar och nya kvanttillstånd kan sedan 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 svarets beteende hos topologiska material är nära besläktat med dess mikroskopiska elektroniska struktur. För topologiska halvmetaller är bärarens excitation nära bandkorsningen mycket känslig för systemets vågfunktionsegenskaper. Studien av icke-linjära optiska fenomen i topologiska halvmetaller kan hjälpa oss att bättre förstå de fysiska egenskaperna hos systemets upphetsade tillstånd, och det förväntas att dessa effekter kan användas vid tillverkningen avoptiska enheteroch utformningen av solceller som ger potentiella praktiska tillämpningar i framtiden. Till exempel, i en Weyl-semimetal, kommer att absorbera en foton med cirkulärt polariserat ljus att få snurret att vända, och för att uppfylla bevarandet av vinkelmoment, kommer elektron excitation på båda sidor av Weyl-konen att vara asymmetriskt fördelad längs riktningen för den cirkulära polariserade ljusutbredningen, som kallas Chiral-valet (figur 1).
Den teoretiska studien av olinjära optiska fenomen av topologiska material antar vanligtvis metoden för att kombinera beräkningen av materiella marktillståndsegenskaper och symmetrianalys. Denna metod har emellertid vissa defekter: den saknar realtidsdynamisk information från upphetsade bärare i fart och verkligt utrymme, och den kan inte skapa en direkt jämförelse med den tidsupplösta experimentella detekteringsmetoden. Kopplingen mellan elektronfononer och foton-fononer kan inte övervägas. Och detta är avgörande för att vissa fasövergångar inträffar. Dessutom kan denna teoretiska analys baserad på störningsteori inte hantera de fysiska processerna under det starka ljusfältet. Den tidsberoende densitetsfunktionella molekylära dynamiken (TDDFT-MD) -simulering baserad på första principer kan lösa ovanstående problem.
Recently, under the guidance of researcher Meng Sheng, postdoctoral researcher Guan Mengxue and doctoral student Wang En of the SF10 Group of the State Key Laboratory of Surface Physics of the Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, in collaboration with Professor Sun Jiatao of the Beijing Institute of Technology, they used the self-developed excited state dynamics simulation software Tdap. Svaregenskaperna för quastipartikelexcitering till ultrafast laser i den andra typen av Weyl semi-metall WTE2 undersöks.
Det har visats att den selektiva excitationen av bärare nära Weyl -punkten bestäms av atomisk orbital symmetri och övergångsval, som skiljer sig från den vanliga spinnvalsregeln för chiral excitation, och dess excitationsväg kan styras genom att ändra polarisationsriktningen för linjärt polariserat ljus och fotonenergi (fig. 2).
Den asymmetriska excitationen av bärare inducerar fotoledningar i olika riktningar i verkligt utrymme, vilket påverkar riktningen och symmetrien för systemets mellanlagring. Eftersom de topologiska egenskaperna hos WTE2, såsom antalet weylpunkter och graden av separering i momentumsutrymmet, är mycket beroende av symmetrin för systemet (figur 3), kommer den asymmetriska excitationen av bärare att åstadkomma olika beteenden hos weyl -kvastipartiklar i momentumutrymmet och motsvarande förändringar i de topologiska egenskaperna hos systemet. Således ger studien ett tydligt fasdiagram för fototopologiska fasövergångar (figur 4).
Resultaten visar att chiraliteten hos bärarexcitering nära Weyl Point bör uppmärksammas och de atomiska orbitalegenskaperna hos vågfunktionen bör analyseras. Effekterna av de två är liknande men mekanismen är uppenbarligen annorlunda, vilket ger en teoretisk grund för att förklara singulariteten hos weylpunkter. Dessutom kan beräkningsmetoden som antagits i denna studie djupt förstå de komplexa interaktioner och dynamiska beteenden på atom- och elektroniska nivåer i en superfast tidsskala, avslöja deras mikrofysiska mekanismer och förväntas vara ett kraftfullt verktyg för framtida forskning om icke-linjära 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) för den kinesiska vetenskapsakademin.
Fig.1.A. Kiralitetsvalregeln för Weyl -punkter med positivt kiralitetstecken (χ =+1) under cirkulärt polariserat ljus; Selektiv excitation på grund av atomisk orbital symmetri vid Weyl -punkten för B. χ =+1 i on-line polariserat ljus
FIKON. 2. Atomstrukturdiagram över 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 ifrån weylpunkter, respektive; d. Amplifiering av bandstrukturen längs Gamma-X-riktningen
Fig.3.AB: Den relativa mellanlagringsrörelsen av linjärt polariserad ljuspolarisationsriktning längs kristallens a-axel och B-axel, och motsvarande rörelseläge illustreras; C. Jämförelse mellan teoretisk simulering och experimentell observation; DE: Symmetriutvecklingen av systemet och positionen, antalet och graden av separering av de två närmaste Weyl -punkterna i KZ = 0 -planet
FIKON. 4. Fototopologisk fasövergång i TD-WTE2 för linjärt polariserad ljusfotonenergi (?) Ω) och polarisationsriktning (θ) Beroende fasdiagram
Posttid: Sep-25-2023