Достигнут прогресс в изучении сверхбыстрого движения квазичастиц Вейля, управляемоголазеры
В последние годы теоретические и экспериментальные исследования топологических квантовых состояний и топологических квантовых материалов стали актуальной темой в области физики конденсированного состояния. Топологический порядок, как и симметрия, является фундаментальным понятием в физике конденсированного состояния. Глубокое понимание топологии связано с фундаментальными проблемами физики конденсированного состояния, такими как фундаментальная электронная структураквантовые фазыквантовые фазовые переходы и возбуждение многих иммобилизованных элементов в квантовых фазах. В топологических материалах связь между многими степенями свободы, такими как электроны, фононы и спин, играет решающую роль в понимании и регулировании свойств материала. Световое возбуждение может быть использовано для различения различных взаимодействий и управления состоянием вещества, что позволяет получить информацию об основных физических свойствах материала, структурных фазовых переходах и новых квантовых состояниях. В настоящее время изучение взаимосвязи между макроскопическим поведением топологических материалов, управляемым световым полем, и их микроскопической атомной структурой и электронными свойствами стало целью исследований.
Фотоэлектрические свойства топологических материалов тесно связаны с их микроскопической электронной структурой. В топологических полуметаллах возбуждение носителей заряда вблизи пересечения зон весьма чувствительно к характеристикам волновой функции системы. Изучение нелинейных оптических явлений в топологических полуметаллах может помочь лучше понять физические свойства возбуждённых состояний системы, и ожидается, что эти эффекты могут быть использованы при изготовленииоптические устройстваи разработка солнечных элементов, что открывает потенциальные практические возможности в будущем. Например, в полуметалле Вейля поглощение фотона циркулярно поляризованного света приводит к перевороту спина, и для соблюдения закона сохранения углового момента электронное возбуждение по обе стороны конуса Вейля будет асимметрично распределено вдоль направления распространения циркулярно поляризованного света, что называется хиральным правилом отбора (рис. 1).
Теоретическое исследование нелинейных оптических явлений в топологических материалах обычно использует метод комбинирования расчета свойств основного состояния материала и анализа симметрии. Однако этот метод имеет ряд недостатков: он не позволяет получать динамическую информацию о возбужденных носителях в реальном времени в импульсном и реальном пространствах, а также не позволяет проводить прямое сравнение с методом экспериментального детектирования с временным разрешением. Невозможно учесть связь между электронами и фотонами, что критически важно для возникновения определенных фазовых переходов. Кроме того, этот теоретический анализ, основанный на теории возмущений, не может описывать физические процессы в сильном световом поле. Моделирование временной зависимости плотности функционала молекулярной динамики (TDDFT-MD), основанное на первых принципах, может решить вышеуказанные проблемы.
Недавно под руководством исследователя Мэн Шэна, постдокторанта Гуань Мэнсюэ и докторанта Ван Эня из группы SF10 Государственной ключевой лаборатории физики поверхности Института физики Китайской академии наук/Пекинского национального исследовательского центра физики концентрированных веществ, в сотрудничестве с профессором Сунь Цзятао из Пекинского технологического института, они использовали разработанное ими программное обеспечение для моделирования динамики возбужденных состояний TDAP. Были исследованы характеристики отклика квазичастичного возбуждения на сверхбыстрый лазер в полуметалле Вейля второго типа WTe2.
Было показано, что селективное возбуждение носителей вблизи точки Вейля определяется атомной орбитальной симметрией и правилом отбора перехода, которое отличается от обычного правила отбора спина для хирального возбуждения, а путь его возбуждения можно контролировать, изменяя направление поляризации линейно поляризованного света и энергию фотона (рис. 2).
Асимметричное возбуждение носителей заряда индуцирует фототоки в различных направлениях в реальном пространстве, что влияет на направление и симметрию межслоевого скольжения системы. Поскольку топологические свойства WTe2, такие как количество точек Вейля и степень разделения в импульсном пространстве, сильно зависят от симметрии системы (рис. 3), асимметричное возбуждение носителей заряда приведет к различному поведению квазичастиц Вейля в импульсном пространстве и соответствующим изменениям топологических свойств системы. Таким образом, исследование позволяет построить наглядную фазовую диаграмму для фототопологических фазовых переходов (рис. 4).
Результаты показывают, что следует учитывать хиральность возбуждения носителей заряда вблизи точки Вейля и анализировать атомные орбитальные свойства волновой функции. Эффекты этих двух факторов схожи, но механизм, очевидно, различен, что обеспечивает теоретическую основу для объяснения сингулярности точек Вейля. Кроме того, вычислительный метод, принятый в данном исследовании, позволяет глубоко понять сложные взаимодействия и динамическое поведение на атомном и электронном уровнях в сверхбыстром масштабе времени, выявить их микрофизические механизмы и, как ожидается, станет мощным инструментом для будущих исследований нелинейных оптических явлений в топологических материалах.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Исследование поддержано Национальным планом ключевых исследований и разработок, Национальным фондом естественных наук и Стратегическим пилотным проектом (категория B) Китайской академии наук.
РИС.1.а. Правило отбора по хиральности для точек Вейля с положительным знаком хиральности (χ = +1) в круговой поляризации света; селективное возбуждение, обусловленное атомной орбитальной симметрией в точке Вейля b. χ = +1 в поляризованном свете.
РИС. 2. Схема атомной структуры a, Td-WTe2; b. Зонная структура вблизи поверхности Ферми; c) Зонная структура и относительный вклад атомных орбиталей, распределенных вдоль высокосимметричных линий в области Бриллюэна, стрелки (1) и (2) представляют возбуждение вблизи или вдали от точек Вейля соответственно; d. Усиление зонной структуры вдоль направления гамма-X.
Рис.3.ab: Проиллюстрировано относительное межслоевое движение линейно поляризованного света в направлении поляризации вдоль осей A и B кристалла, а также соответствующий режим движения; C. Сравнение между теоретическим моделированием и экспериментальным наблюдением; de: Эволюция симметрии системы и положение, количество и степень разделения двух ближайших точек Вейля в плоскости kz=0.
РИС. 4. Фототопологический фазовый переход в Td-WTe2 для линейно поляризованного света, энергия фотона (?) ω) и направление поляризации (θ) зависят от фазовой диаграммы
Время публикации: 25 сентября 2023 г.