Er is vooruitgang geboekt in de studie van ultrasnelle beweging van Weil quasiparticles gecontroleerd doorlasers
In de afgelopen jaren is het theoretische en experimenteel onderzoek naar topologische kwantumtoestanden en topologische kwantummaterialen een hot topic geworden op het gebied van gecondenseerde materie. Als een nieuw concept van materiële classificatie is topologische volgorde, zoals symmetrie, een fundamenteel concept in de fysica van gecondenseerde materie. Een diep begrip van de topologie is gerelateerd aan de basisproblemen in de fysica van gecondenseerde materie, zoals de basis elektronische structuur vankwantumfasen, kwantumfase -overgangen en excitatie van vele geïmmobiliseerde elementen in kwantumfasen. In topologische materialen speelt de koppeling tussen vele vrijheidsgraden, zoals elektronen, fononen en spin, een beslissende rol bij het begrijpen en reguleren van materiaaleigenschappen. Lichte excitatie kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen verschillende interacties en de toestand van materie te manipuleren, en informatie over de basisfysische eigenschappen van het materiaal, structurele fase -overgangen en nieuwe kwantumtoestanden kunnen vervolgens worden verkregen. Momenteel is de relatie tussen macroscopisch gedrag van topologische materialen aangedreven door lichtveld en hun microscopische atoomstructuur en elektronische eigenschappen een onderzoeksdoel geworden.
Het foto -elektrische responsgedrag van topologische materialen is nauw verwant met de microscopische elektronische structuur. Voor topologische semi-metalen is de drageruitexcitatie nabij het snijpunt van de band zeer gevoelig voor de golffunctiekarakteristieken van het systeem. De studie van niet-lineaire optische fenomenen in topologische semi-metalen kan ons helpen de fysieke eigenschappen van de geëxciteerde toestanden van het systeem beter te begrijpen, en er wordt verwacht dat deze effecten kunnen worden gebruikt bij de vervaardiging vanoptische apparatenen het ontwerp van zonnecellen, die in de toekomst potentiële praktische toepassingen bieden. In een weyl-semi-metaal zal bijvoorbeeld een foton van cirkelvormig gepolariseerd licht absorberen, zal de spin omdraaien, en om te voldoen aan het behoud van hoekmomentum, zal de elektronenexcitatie aan beide zijden van de weylkegel asymmmetrisch verdeeld langs de richting van de circulair gepolariseerde lichte propagatie, die de chirale selectie-regel wordt genoemd (figuur 1).
De theoretische studie van niet -lineaire optische fenomenen van topologische materialen hanteert meestal de methode voor het combineren van de berekening van materiaalgrondstaten -eigenschappen en symmetrieanalyse. Deze methode heeft echter enkele gebreken: het mist de realtime dynamische informatie van geëxciteerde dragers in momentumruimte en echte ruimte, en het kan geen directe vergelijking vaststellen met de tijdopgeloste experimentele detectiemethode. De koppeling tussen elektronenfononen en fotonfononen kan niet worden overwogen. En dit is cruciaal dat bepaalde fasestangen optreden. Bovendien kan deze theoretische analyse op basis van perturbatietheorie niet omgaan met de fysieke processen onder het sterke lichtveld. De tijdsafhankelijke dichtheid functionele moleculaire dynamica (TDDFT-MD) simulatie op basis van eerste principes kan de bovenstaande problemen oplossen.
Recently, under the guidance of researcher Meng Sheng, postdoctoral researcher Guan Mengxue and doctoral student Wang En of the SF10 Group of the State Key Laboratory of Surface Physics of the Institute of Physics of the Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, in collaboration with Professor Sun Jiatao of the Beijing Institute of Technology, they used the self-developed excited state dynamics simulation Software TDAP. De responskenmerken van quastiparticle-excitatie naar ultrasnelle laser in het tweede soort Weyl-semi-metaal WTE2 worden onderzocht.
Er is aangetoond dat de selectieve excitatie van dragers in de buurt van het Weyl -punt wordt bepaald door atomaire orbitale symmetrie en overgangsselectieregel, die verschilt van de gebruikelijke spin -selectieregel voor chirale excitatie, en het excitatiepad kan worden geregeld door de polarisatierichting van lineair gepolariseerd licht en fotonenergie (Fig. 2) te veranderen.
De asymmetrische excitatie van dragers induceert fotocurrenten in verschillende richtingen in reële ruimte, die de richting en de symmetrie van de tussenlagen van het systeem beïnvloedt. Aangezien de topologische eigenschappen van WTE2, zoals het aantal weylpunten en de mate van scheiding in de momentumruimte, sterk afhankelijk zijn van de symmetrie van het systeem (figuur 3), zal de asymmetrische excitatie van dragers een ander gedrag van weylquastiparticles in de momentumruimte en overeenkomstige veranderingen in de topologische eigenschappen van het systeem veroorzaken. Aldus biedt de studie een duidelijk fasediagram voor fototopologische fase -overgangen (figuur 4).
De resultaten tonen aan dat de chiraliteit van dragersexcitatie nabij Weyl Point aandacht moet worden besteed, en de atomaire orbitale eigenschappen van de golffunctie moeten worden geanalyseerd. De effecten van de twee zijn vergelijkbaar, maar het mechanisme is duidelijk anders, wat een theoretische basis biedt voor het verklaren van de singulariteit van Weyl -punten. Bovendien kan de in deze studie gebruikte computationele methode de complexe interacties en dynamisch gedrag op atoom- en elektronische niveaus in een superarme tijdschaal diepgaand begrijpen, hun microfysische mechanismen onthullen en naar verwachting een krachtig hulpmiddel is voor toekomstig onderzoek naar niet-lineaire optische fenomenen in topologisch materiaal.
De resultaten zijn in het tijdschrift Nature Communications. Het onderzoekswerk wordt ondersteund door het National Key Research and Development Plan, de National Natural Science Foundation en het Strategic Pilot Project (Categorie B) van de Chinese Academie van Wetenschappen.
Fig.1.A. De chiraliteitsselectieregel voor Weyl -punten met positief chiraliteitsbord (χ =+1) onder circulair gepolariseerd licht; Selectieve excitatie als gevolg van atomaire orbitale symmetrie op het Weyl -punt van B. χ =+1 in online gepolariseerd licht
Fig. 2. Atoomstructuurdiagram van A, TD-WTE2; B. Bandstructuur nabij het Fermi -oppervlak; (c) bandstructuur en relatieve bijdragen van atomaire orbitalen verdeeld over hoge symmetrische lijnen in het Brillouin -gebied, pijlen (1) en (2) vertegenwoordigen excitatie bijna of ver van weylpunten, respectievelijk; D. Versterking van de bandstructuur langs de Gamma-X-richting
Fig.3.AB: de relatieve tussenlagenbeweging van lineair gepolariseerde lichtpolarisatierichting langs de A-as en B-as van het kristal, en de overeenkomstige bewegingsmodus wordt geïllustreerd; C. Vergelijking tussen theoretische simulatie en experimentele observatie; DE: Symmetrie -evolutie van het systeem en de positie, het aantal en de mate van scheiding van de twee dichtstbijzijnde weylpunten in het kz = 0 vlak
Fig. 4. Fototopologische faseovergang in TD-WTE2 voor lineair gepolariseerde lichte fotonenergie (?) Ω) en polarisatierichting (θ) afhankelijke fasediagram
Posttijd: SEP-25-2023