Достигнут прогресс в изучении сверхбыстрого движения квазичастиц Вейля, контролируемоголазеры
В последние годы теоретические и экспериментальные исследования топологических квантовых состояний и топологических квантовых материалов стали горячей темой в области физики конденсированных сред. Как новая концепция классификации материи, топологический порядок, как и симметрия, является фундаментальной концепцией в физике конденсированных сред. Глубокое понимание топологии связано с основными проблемами физики конденсированных сред, такими как базовая электронная структураквантовые фазы, квантовые 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. Возбуждение светом может использоваться для различения различных взаимодействий и управления состоянием вещества, а затем может быть получена информация об основных физических свойствах материала, структурных фазовых переходах и новых квантовых состояниях. В настоящее время связь между макроскопическим поведением топологических материалов, управляемых световым полем, и их микроскопической атомной структурой и электронными свойствами стала целью исследований.
Фотоэлектрическое поведение отклика топологических материалов тесно связано с их микроскопической электронной структурой. Для топологических полуметаллов возбуждение носителей вблизи пересечения зон весьма чувствительно к характеристикам волновой функции системы. Изучение нелинейных оптических явлений в топологических полуметаллах может помочь нам лучше понять физические свойства возбужденных состояний системы, и ожидается, что эти эффекты могут быть использованы при изготовленииоптические устройстваи проектирование солнечных элементов, что обеспечивает потенциальные практические применения в будущем. Например, в полуметалле Вейля поглощение фотона циркулярно поляризованного света приведет к перевороту спина, и для того, чтобы удовлетворить закону сохранения углового момента, возбуждение электронов по обе стороны конуса Вейля будет асимметрично распределено вдоль направления распространения циркулярно поляризованного света, что называется хиральным правилом отбора (рисунок 1).
Теоретическое исследование нелинейных оптических явлений топологических материалов обычно принимает метод объединения расчета свойств основного состояния материала и анализа симметрии. Однако этот метод имеет некоторые недостатки: в нем отсутствует динамическая информация в реальном времени о возбужденных носителях в импульсном пространстве и реальном пространстве, и он не может установить прямое сравнение с методом экспериментального обнаружения с временным разрешением. Связь между электрон-фононами и фотон-фононами не может быть рассмотрена. И это имеет решающее значение для возникновения определенных фазовых переходов. Кроме того, этот теоретический анализ, основанный на теории возмущений, не может иметь дело с физическими процессами в сильном световом поле. Моделирование временной функциональной плотности 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 самостоятельно разработанное программное обеспечение для моделирования динамики возбужденного состояния TDAP. Исследованы характеристики отклика возбуждения квазичастиц на сверхбыстрый лазер во втором типе полуметалла Вейля 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 его путь возбуждения можно контролировать, изменяя направление поляризации линейно поляризованного света и энергию фотона (рис. 2).
Асимметричное возбуждение носителей вызывает фототоки в разных 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 (рисунок 3), асимметричное возбуждение носителей приведет к различному поведению квазичастиц Вейля в импульсном пространстве и соответствующим изменениям топологических свойств системы. Таким образом, исследование дает четкую фазовую диаграмму для фототопологических фазовых переходов (рисунок 4).
Результаты показывают, что следует обратить внимание на хиральность возбуждения носителей вблизи точки Вейля, а также проанализировать атомные орбитальные свойства волновой функции. Эффекты этих двух явлений схожи, но механизм, очевидно, отличается, что дает теоретическую основу для объяснения сингулярности точек Вейля. Кроме того, вычислительный метод, принятый в этом исследовании, может глубоко понять сложные взаимодействия и динамическое поведение на атомном и электронном уровнях в сверхбыстром масштабе времени, раскрыть их микрофизические механизмы и, как ожидается, станет мощным инструментом для будущих исследований нелинейных оптических явлений в топологических материалах.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Исследовательская работа поддерживается Национальным планом ключевых исследований и разработок, Национальным фондом естественных наук и Стратегическим пилотным проектом (категория B) Китайской академии наук.
РИС.1.а. Правило отбора хиральности для точек Вейля с положительным знаком хиральности (χ=+1) при циркулярно поляризованном свете; Селективное возбуждение из-за атомной орбитальной симметрии в точке Вейля b. χ=+1 в поляризованном свете в режиме on-line
РИС. 2. Диаграмма атомной структуры a, Td-WTe2; б. Зонная структура вблизи поверхности Ферми; в) Зонная структура и относительные вклады атомных орбиталей, распределенных вдоль высокосимметричных линий в области Бриллюэна, стрелки (1) и (2) представляют возбуждение вблизи или вдали от точек Вейля, соответственно; г. 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, зависящего от энергии фотона (?) ω) и направления поляризации (θ) фазовой диаграммы
Время публикации: 25-сен-2023