Der er gjort fremskridt i undersøgelsen af ultrahurtig bevægelse af Weil kvasipartikler styret aflasere
I de senere år er den teoretiske og eksperimentelle forskning i topologiske kvantetilstande og topologiske kvantematerialer blevet et varmt emne inden for det kondenserede stofs fysik.Som et nyt begreb for stofklassificering er topologisk orden, ligesom symmetri, et grundlæggende begreb i kondenseret stofs fysik.En dyb forståelse af topologi er relateret til de grundlæggende problemer i kondenseret stoffysik, 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 for forståelse og regulering 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.På nuværende tidspunkt er forholdet mellem makroskopisk opførsel af topologiske materialer drevet af lysfelt og deres mikroskopiske atomstruktur og elektroniske egenskaber blevet et forskningsmål.
Den fotoelektriske responsadfærd af topologiske materialer er tæt forbundet med dens mikroskopiske elektroniske struktur.For topologiske halvmetaller er bærerexcitationen nær båndets skæringspunkt meget følsom over for systemets bølgefunktionskarakteristika.Studiet af ikke-lineære optiske fænomener i topologiske halvmetaller kan hjælpe os til bedre at forstå de fysiske egenskaber af de exciterede tilstande i systemet, og det forventes, at disse effekter kan bruges til fremstilling afoptiske enhederog design af solceller, hvilket giver potentielle praktiske anvendelser i fremtiden.For eksempel i et Weyl-halvmetal vil absorbering af en foton af cirkulært polariseret lys få spindet til at vende, og for at imødekomme bevarelsen af vinkelmomentum vil elektronexcitationen på begge sider af Weyl-keglen være asymmetrisk fordelt langs retningen af den cirkulært polariserede lysudbredelse, som kaldes den chirale udvælgelsesregel (figur 1).
Den teoretiske undersøgelse af ikke-lineære optiske fænomener af topologiske materialer anvender normalt metoden til at kombinere beregningen af materialets grundtilstandsegenskaber og symmetrianalyse.Denne metode har dog nogle defekter: den mangler den dynamiske realtidsinformation fra exciterede bærere i momentumrum og reelle rum, og den kan ikke etablere en direkte sammenligning med den tidsopløste eksperimentelle detektionsmetode.Koblingen mellem elektron-fononer og foton-fononer kan ikke overvejes.Og dette er afgørende for, at visse faseovergange kan forekomme.Derudover kan denne teoretiske analyse baseret på perturbationsteori ikke beskæftige sig med de fysiske processer under det stærke lysfelt.Den tidsafhængige densitet funktionel molekylær dynamik (TDDFT-MD) simulering baseret på første principper kan løse ovenstående problemer.
For nylig, under vejledning af forskeren Meng Sheng, postdoc-forskeren Guan Mengxue og ph.d.-studerende Wang En fra SF10-gruppen fra State Key Laboratory of Surface Physics ved Institute of Physics ved det kinesiske videnskabsakademi/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Fysik brugte i samarbejde med professor Sun Jiatao fra Beijing Institute of Technology den selvudviklede software til simulering af excited state dynamics TDAP.Responskarakteristikaene for quastiparticle excitation til ultrahurtig laser i den anden type Weyl semi-metal WTe2 er undersøgt.
Det er blevet vist, at den selektive excitation af bærere nær Weyl-punktet bestemmes af atomorbitalsymmetri og overgangsudvælgelsesregel, som er forskellig fra den sædvanlige spinselektionsregel for chiral excitation, og dens excitationsvej kan styres ved at ændre polarisationsretningen af 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 mellemlagsglidning.Da de topologiske egenskaber af WTe2, såsom antallet af Weyl-punkter og graden af adskillelse i momentumrummet, er meget afhængige af systemets symmetri (figur 3), vil den asymmetriske excitation af bærere medføre forskellig adfærd hos Weyl kvastipartikler i momentumrummet og tilsvarende ændringer i systemets topologiske egenskaber.Studiet giver således et klart fasediagram for fototopologiske faseovergange (figur 4).
Resultaterne viser, at kiraliteten af bærerexcitation nær Weyl-punktet bør være opmærksom på, og bølgefunktionens atomare orbitale egenskaber bør analyseres.Effekterne af de to er ens, men mekanismen er åbenlyst forskellig, hvilket giver et teoretisk grundlag for at forklare singulariteten af Weyl-punkter.Derudover kan den beregningsmetode, der er anvendt i denne undersøgelse, dybt 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 i tidsskriftet Nature Communications.Forskningsarbejdet er støttet af den nationale nøgleforsknings- og udviklingsplan, National Natural Science Foundation og det strategiske pilotprojekt (Kategori B) under det kinesiske videnskabsakademi.
FIG. 1.a.Chiralitetsudvælgelsesreglen for Weyl-punkter med positivt chiralitetstegn (χ=+1) under cirkulært polariseret lys;Selektiv excitation på grund af atomorbitalsymmetri ved Weyl-punktet af b.χ=+1 i on-line polariseret lys
FIG.2. Atomstrukturdiagram af a, Td-WTe2;b.Båndstruktur nær Fermi-overfladen;(c) Båndstruktur og relative bidrag af atomare orbitaler fordelt langs høje symmetriske linjer i Brillouin-regionen, pile (1) og (2) repræsenterer henholdsvis excitation nær eller langt fra Weyl-punkter;d.Forstærkning af båndstruktur langs Gamma-X retningen
FIG.3.ab: Den relative mellemlagsbevægelse 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: Symmetriudvikling af systemet og positionen, antallet og adskillelsesgraden 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
Indlægstid: 25. september 2023