Достигнут прогресс в изучении сверхбыстрого движения квазичастиц Вейля, контролируемого...лазеры
В последние годы теоретические и экспериментальные исследования топологических квантовых состояний и топологических квантовых материалов стали актуальной темой в области физики конденсированных сред. Топологический порядок, как и симметрия, как новая концепция классификации материи, является фундаментальным понятием в физике конденсированных сред. Глубокое понимание топологии связано с основными проблемами физики конденсированных сред, такими как базовая 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 манипулирования состоянием вещества, что позволяет получить информацию об основных физических свойствах материала, структурных фазовых переходах и новых квантовых состояниях. В настоящее время связь между макроскопическим поведением топологических материалов, управляемым световым полем, и их микроскопической атомной структурой и электронными свойствами стала целью исследований.
Фотоэлектрический отклик топологических материалов тесно связан с их микроскопической электронной структурой. Для топологических полуметаллов возбуждение носителей заряда вблизи пересечения зон очень 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 в производствеоптические устройстваа также разработка солнечных элементов, открывающая потенциальные практические применения в будущем. Например, в вейлевском полуметалле поглощение фотона циркулярно поляризованного света приводит к изменению направления спина, и для соблюдения закона сохранения углового момента возбуждение электронов по обе стороны вейлевского конуса будет асимметрично распределено вдоль направления распространения циркулярно поляризованного света, что называется правилом хирального отбора (рис. 1).
Теоретическое исследование нелинейных оптических явлений в топологических материалах обычно использует метод, сочетающий расчет свойств основного состояния материала и анализ симметрии. Однако этот метод имеет некоторые недостатки: ему не хватает информации о динамике возбужденных носителей в реальном времени в импульсном и реальном пространстве, и он не позволяет напрямую сравнивать его с экспериментальным методом времяразрешенного детектирования. Не учитывается связь между электронами и фононами, а это имеет решающее значение для возникновения определенных фазовых переходов. Кроме того, этот теоретический анализ, основанный на теории возмущений, не может описывать физические процессы в сильном световом поле. Моделирование молекулярной динамики с использованием зависящей от времени плотности функционала (TDDFT-MD), основанное на первых принципах, может решить вышеуказанные проблемы.
Недавно под руководством исследователя Мэн Шэна, постдокторанта Гуань Мэнсюэ и аспиранта 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 возбуждения квазичастиц на сверхбыстрый лазер в полуметалле Вейля второго типа WTe2.
Было показано, что селективное возбуждение носителей вблизи точки Вейля определяется симметрией атомных орбиталей и правилом отбора переходов, которое отличается от обычного правила отбора спинов для хирального возбуждения, и его путь возбуждения может контролироваться изменением направления поляризации линейно поляризованного света и энергии фотона (рис. 2).
Асимметричное возбуждение носителей заряда индуцирует 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 (рис. 3), асимметричное возбуждение носителей заряда приведет к различному поведению вейлевских квазичастиц в импульсном пространстве и соответствующим изменениям топологических свойств системы. Таким образом, исследование предоставляет четкую фазовую диаграмму для фототопологических фазовых переходов (рис. 4).
Результаты показывают, что следует обращать внимание на хиральность возбуждения носителей заряда вблизи точки Вейля и анализировать свойства атомных орбиталей волновой функции. Эффекты этих двух явлений схожи, но механизм явно различен, что обеспечивает теоретическую основу для объяснения сингулярности точек Вейля. Кроме того, использованный в данном исследовании вычислительный метод позволяет глубоко понять сложные взаимодействия и динамическое поведение на атомном и электронном уровнях в сверхбыстром временном масштабе, выявить их микрофизические механизмы и, как ожидается, станет мощным инструментом для будущих исследований нелинейных оптических явлений в топологических материалах.
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications. Исследование поддержано Национальной ключевой программой 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) в условиях циркулярно поляризованного света; Селективное возбуждение, обусловленное симметрией атомных орбиталей в точке Вейля b. χ=+1 в условиях поляризованного света в режиме реального времени.
Рис. 2. Диаграмма 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.аб: Показано относительное межслойное перемещение линейно поляризованного света вдоль осей А и В кристалла, а также соответствующий режим перемещения; С. Сравнение теоретического моделирования и экспериментальных наблюдений; де: Эволюция симметрии системы, а также положение, количество и степень разделения двух ближайших точек Вейля в плоскости kz=0.
Рис. 4. Фазовая диаграмма фототопологического фазового перехода в Td-WTe2 для линейно поляризованного света, зависящая от энергии фотона (ν) (ω) и направления поляризации (θ).
Дата публикации: 25 сентября 2023 г.