Достигнут прогресс в изучении сверхбыстрого движения квазичастиц Вейля, управляемоголазеры
В последние годы теоретические и экспериментальные исследования топологических квантовых состояний и топологических квантовых материалов стали горячей темой в области физики конденсированного состояния.Топологический порядок, как и симметрия, является новой концепцией классификации материи и является фундаментальной концепцией физики конденсированного состояния.Глубокое понимание топологии связано с основными проблемами физики конденсированного состояния, такими как основная 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.Световое возбуждение можно использовать для различения различных взаимодействий и управления состоянием материи, а затем можно получить информацию об основных физических свойствах материала, структурных фазовых переходах и новых квантовых состояниях.В настоящее время целью исследования стала связь между макроскопическим поведением топологических материалов под действием светового поля и их микроскопической атомной структурой и электронными свойствами.
Поведение фотоэлектрического отклика топологических материалов тесно связано с их микроскопической электронной структурой.Для топологических полуметаллов возбуждение носителей тока вблизи пересечения зон очень чувствительно к характеристикам волновой функции системы.Исследование нелинейно-оптических явлений в топологических полуметаллах может помочь нам лучше понять физические свойства возбужденных состояний системы, и ожидается, что эти эффекты можно будет использовать при изготовленииоптические устройстваи разработка солнечных элементов, обеспечивающих потенциальное практическое применение в будущем.Например, в полуметалле Вейля поглощение фотона циркулярно поляризованного света приведет к перевороту спина, и для соблюдения закона сохранения углового момента электронное возбуждение по обе стороны конуса Вейля будет асимметрично распределено вдоль направление распространения циркулярно поляризованного света, которое называется киральным правилом отбора (рис. 1).
Теоретическое исследование нелинейно-оптических явлений топологических материалов обычно использует метод сочетания расчета свойств основного состояния материала и анализа симметрии.Однако у этого метода есть некоторые недостатки: ему не хватает динамической информации о возбужденных носителях в реальном времени в пространстве импульсов и реальном пространстве, и он не может провести прямое сравнение с экспериментальным методом обнаружения с временным разрешением.Взаимодействие между электрон-фононами и фотон-фононами рассматривать нельзя.И это имеет решающее значение для осуществления определенных фазовых переходов.Кроме того, этот теоретический анализ, основанный на теории возмущений, не может рассматривать физические процессы в сильном световом поле.Моделирование нестационарной молекулярной динамики функционала плотности (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 концентрированных веществ Физики в сотрудничестве с профессором Сунь Цзятао из Пекинского технологического института использовали разработанное ими программное обеспечение для моделирования динамики возбужденного состояния TDAP.Исследованы характеристики отклика возбуждения квазичастиц сверхбыстрым лазером в полуметалле Вейля WTe2 второго рода.
Показано, что селективное возбуждение носителей вблизи точки Вейля определяется орбитальной симметрией атома и правилом выбора перехода, которое отличается от обычного правила выбора спина для кирального возбуждения, а траекторией его возбуждения можно управлять, изменяя направление поляризации. линейно поляризованного света и энергии фотонов (фиг. 2).
Асимметричное возбуждение носителей заряда индуцирует фототоки разных направлений 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 приведет к различному поведению Вейля. квазичастицы в импульсном пространстве и соответствующие изменения топологических свойств системы.Таким образом, исследование дает четкую фазовую диаграмму фототопологических фазовых переходов (рис. 4).
Результаты показывают, что следует обращать внимание на киральность возбуждения носителей вблизи точки Вейля и анализировать атомно-орбитальные свойства волновой функции.Эффекты этих двух явлений схожи, но механизм явно различен, что обеспечивает 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 временном масштабе, раскрыть их микрофизические механизмы и, как ожидается, станет мощным инструментом для будущих исследований в области нелинейно-оптические явления 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 выбора киральности для точек Вейля с положительным знаком киральности (χ=+1) в свете циркулярной поляризации;Избирательное возбуждение из-за атомной орбитальной симметрии в точке Вейля b.χ=+1 в поляризованном свете онлайн
ИНЖИР.2. Атомная структурная схема 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) обозначают возбуждение вблизи или вдали от точек Вейля соответственно;д.Усиление зонной структуры в направлении Гамма-X.
Фиг.3.ab: Проиллюстрировано относительное межслоевое перемещение направления поляризации линейно поляризованного света вдоль оси A и оси B кристалла и соответствующий режим движения;C. Сравнение теоретического моделирования и экспериментального наблюдения;de: Эволюция симметрии системы и положение, количество и степень разделения двух ближайших точек Вейля в плоскости kz=0.
ИНЖИР.4. Фототопологический фазовый переход в Td-WTe2 для линейно поляризованного светового фотона, зависящий от энергии (?) ω) и направления поляризации (θ). Фазовая диаграмма
Время публикации: 25 сентября 2023 г.