Der er gjort fremskridt i studiet af ultrahurtig bevægelse af Weil-kvasipartikler kontrolleret aflasere
I de senere år er teoretisk og eksperimentel forskning i topologiske kvantetilstande og topologiske kvantematerialer blevet et varmt emne inden for faststoffysik. Som et nyt koncept for stofklassificering er topologisk orden, ligesom symmetri, et fundamentalt koncept i faststoffysik. En dyb forståelse af topologi er relateret til de grundlæggende problemer i faststoffysik, såsom den grundlæggende elektroniske struktur afkvantefaser, kvantefaseovergange og excitation af mange immobiliserede elementer i kvantefaser. I topologiske materialer spiller koblingen mellem mange frihedsgrader, såsom elektroner, fononer og spin, en afgørende rolle i forståelsen og reguleringen af materialeegenskaber. Lysexcitation kan bruges til at skelne mellem forskellige interaktioner og manipulere materiens tilstand, og information om materialets grundlæggende fysiske egenskaber, strukturelle faseovergange og nye kvantetilstande kan derefter opnås. I øjeblikket er forholdet mellem makroskopisk adfærd af topologiske materialer drevet af lysfelt og deres mikroskopiske atomstruktur og elektroniske egenskaber blevet et forskningsmål.
Topologiske materialers fotoelektriske responsadfærd er tæt forbundet med deres mikroskopiske elektroniske struktur. For topologiske halvmetaller er bærebølgens excitation nær båndskæringspunktet meget følsom over for systemets bølgefunktionskarakteristika. Undersøgelsen af ikke-lineære optiske fænomener i topologiske halvmetaller kan hjælpe os med bedre at forstå de fysiske egenskaber af systemets exciterede tilstande, og det forventes, at disse effekter kan bruges i fremstillingen afoptiske enhederog design af solceller, hvilket giver potentielle praktiske anvendelser i fremtiden. For eksempel vil absorption af en foton af cirkulært polariseret lys i et Weyl-halvmetal få spinnet til at vende, og for at opfylde bevarelsen af vinkelmomentum vil elektronexcitationen på begge sider af Weyl-keglen være asymmetrisk fordelt langs retningen af den cirkulært polariserede lysudbredelse, hvilket kaldes den chirale selektionsregel (figur 1).
Det teoretiske studie af ikke-lineære optiske fænomener i topologiske materialer anvender normalt en metode, der kombinerer beregning af materialets grundtilstandsegenskaber og symmetrianalyse. Denne metode har dog nogle mangler: den mangler dynamisk information i realtid om exciterede bærere i momentumrum og reelt rum, og den kan ikke etablere en direkte sammenligning med den tidsopløste eksperimentelle detektionsmetode. Koblingen mellem elektron-fononer og foton-fononer kan ikke tages i betragtning. Og dette er afgørende for, at visse faseovergange kan forekomme. Derudover kan denne teoretiske analyse baseret på perturbationsteori ikke håndtere de fysiske processer under det stærke lysfelt. Simuleringen af tidsafhængig tæthedsfunktionel molekylær dynamik (TDDFT-MD) baseret på første principper kan løse ovenstående problemer.
For nylig anvendte de, under vejledning af forsker Meng Sheng, postdoc-forsker Guan Mengxue og ph.d.-studerende Wang En fra SF10-gruppen i State Key Laboratory of Surface Physics ved Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, i samarbejde med professor Sun Jiatao fra Beijing Institute of Technology, den egenudviklede software til simulering af exciterede tilstandsdynamikker TDAP. Responskarakteristikaene for kvasipartikelexcitation til ultrahurtig laser i den anden type Weyl-halvmetal WTe2 undersøges.
Det er blevet vist, at den selektive excitation af bærere nær Weyl-punktet bestemmes af atomorbitalsymmetri og overgangsselektionsregel, som er forskellig fra den sædvanlige spinselektionsregel for chiral excitation, og dens excitationsvej kan styres ved at ændre polarisationsretningen for lineært polariseret lys og fotonenergi (FIG. 2).
Den asymmetriske excitation af bærere inducerer fotostrømme i forskellige retninger i det virkelige rum, hvilket påvirker retningen og symmetrien af systemets mellemlagsslip. Da de topologiske egenskaber ved WTe2, såsom antallet af Weyl-punkter og graden af separation i momentumrummet, er stærkt afhængige af systemets symmetri (Figur 3), vil den asymmetriske excitation af bærere medføre forskellig opførsel af Weyl-kvastipartikler i momentumrummet og tilsvarende ændringer i systemets topologiske egenskaber. Undersøgelsen giver således et klart fasediagram for fototopologiske faseovergange (Figur 4).
Resultaterne viser, at man bør være opmærksom på kiraliteten af bærerens excitation nær Weyl-punktet, og at bølgefunktionens atomorbitale egenskaber bør analyseres. Virkningerne af de to er ens, men mekanismen er tydeligvis forskellig, hvilket giver et teoretisk grundlag for at forklare singulariteten af Weyl-punkter. Derudover kan den beregningsmetode, der er anvendt i dette studie, dybere forstå de komplekse interaktioner og dynamiske adfærd på atomare og elektroniske niveauer i en superhurtig tidsskala, afsløre deres mikrofysiske mekanismer og forventes at være et stærkt værktøj til fremtidig forskning i ikke-lineære optiske fænomener i topologiske materialer.
Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications. Forskningsarbejdet er støttet af National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation og Strategic Pilot Project (kategori B) under det kinesiske videnskabsakademi.
FIG.1.a. Kiralitetsselektionsreglen for Weyl-punkter med positivt kiralitetstegn (χ=+1) under cirkulært polariseret lys; Selektiv excitation på grund af atomorbitalsymmetri ved Weyl-punktet for b. χ=+1 i online polariseret lys
FIG. 2. Atomstrukturdiagram for a, Td-WTe2; b. Båndstruktur nær Fermi-overfladen; (c) Båndstruktur og relative bidrag fra atomorbitaler fordelt langs højsymmetriske linjer i Brillouin-regionen, pilene (1) og (2) repræsenterer excitation nær eller langt fra Weyl-punkter, henholdsvis; d. Forstærkning af båndstruktur langs Gamma-X-retningen
FIG.3.ab: Den relative bevægelse mellem lagene af lineært polariseret lyspolarisationsretning langs krystallens A-akse og B-akse og den tilsvarende bevægelsestilstand er illustreret; C. Sammenligning mellem teoretisk simulering og eksperimentel observation; de: Systemets symmetriudvikling og positionen, antallet og graden af adskillelse af de to nærmeste Weyl-punkter i kz=0-planet
FIG. 4. Fototopologisk faseovergang i Td-WTe2 for lineært polariseret lysfotonenergi (?) ω) og polarisationsretnings (θ) afhængig fasediagram
Opslagstidspunkt: 25. september 2023