Er is vooruitgang geboekt bij het onderzoek naar de ultrasnelle beweging van Weil-quasideeltjes die worden gecontroleerd doorlasers
De afgelopen jaren is het theoretische en experimentele onderzoek naar topologische kwantumtoestanden en topologische kwantummaterialen een hot topic geworden op het gebied van de fysica van de gecondenseerde materie. Als nieuw concept van materieclassificatie is topologische orde, net als symmetrie, een fundamenteel concept in de fysica van de gecondenseerde materie. Een diepgaand begrip van de topologie houdt verband met de basisproblemen in de fysica van de gecondenseerde materie, zoals de elektronische basisstructuur vankwantum fasen, kwantumfase-overgangen en excitatie van veel 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. Lichtexcitatie kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen verschillende interacties en om de toestand van de materie te manipuleren, en informatie over de fysische basiseigenschappen van het materiaal, structurele faseovergangen en nieuwe kwantumtoestanden kan vervolgens worden verkregen. Momenteel is de relatie tussen macroscopisch gedrag van topologische materialen, aangedreven door een lichtveld, en hun microscopische atomaire structuur en elektronische eigenschappen, een onderzoeksdoel geworden.
Het foto-elektrische responsgedrag van topologische materialen hangt nauw samen met de microscopische elektronische structuur ervan. Voor topologische halfmetalen is de dragerexcitatie nabij het bandkruispunt zeer gevoelig voor de golffunctiekarakteristieken van het systeem. De studie van niet-lineaire optische verschijnselen in topologische halfmetalen kan ons helpen de fysische eigenschappen van de aangeslagen 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 potentiële praktische toepassingen in de toekomst bieden. In een halfmetaal van Weyl zal het absorberen van een foton van circulair gepolariseerd licht er bijvoorbeeld voor zorgen dat de spin omdraait, en om aan het behoud van impulsmoment te voldoen, zal de elektronenexcitatie aan beide zijden van de Weyl-kegel asymmetrisch verdeeld zijn langs de richting van de voortplanting van circulair gepolariseerd licht, die de chirale selectieregel wordt genoemd (Figuur 1).
De theoretische studie van niet-lineaire optische verschijnselen van topologische materialen maakt gewoonlijk gebruik van de methode waarbij de berekening van materiële grondtoestandseigenschappen en symmetrieanalyse wordt gecombineerd. Deze methode heeft echter enkele tekortkomingen: ze mist de realtime dynamische informatie van aangeslagen dragers in de momentumruimte en de echte ruimte, en ze kan geen directe vergelijking maken met de tijdsopgeloste experimentele detectiemethode. De koppeling tussen elektron-fononen en foton-fononen kan niet in beschouwing worden genomen. En dit is cruciaal voor het optreden van bepaalde faseovergangen. Bovendien kan deze theoretische analyse, gebaseerd op de verstoringstheorie, de fysieke processen onder het sterke lichtveld niet behandelen. De tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionele moleculaire dynamica (TDDFT-MD) simulatie gebaseerd op de eerste principes kan de bovenstaande problemen oplossen.
Onlangs, onder leiding van onderzoeker Meng Sheng, postdoctoraal onderzoeker Guan Mengxue en promovendus Wang En van de SF10 Group van het State Key Laboratory of Surface Physics van het Institute of Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen/Beijing National Research Center for Concentrated Matter In samenwerking met professor Sun Jiatao van het Beijing Institute of Technology gebruikten ze de zelfontwikkelde simulatiesoftware voor aangeslagen toestandsdynamiek TDAP. De responskarakteristieken van excitatie van quastideeltjes op ultrasnelle laser in de tweede soort Weyl-semimetaal WTe2 worden onderzocht.
Er is aangetoond dat de selectieve excitatie van dragers nabij het Weyl-punt wordt bepaald door atomaire orbitale symmetrie en overgangsselectieregel, die verschilt van de gebruikelijke spinselectieregel voor chirale excitatie, en dat het excitatiepad kan worden gecontroleerd door de polarisatierichting te veranderen. van lineair gepolariseerd licht en fotonenenergie (FIG. 2).
De asymmetrische excitatie van dragers induceert fotostromen in verschillende richtingen in de echte ruimte, wat de richting en symmetrie van de tussenlaagverschuiving van het systeem beïnvloedt. Omdat de topologische eigenschappen van WTe2, zoals het aantal Weyl-punten 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 ander gedrag van Weyl teweegbrengen. quastideeltjes in de momentumruimte en overeenkomstige veranderingen in de topologische eigenschappen van het systeem. Het onderzoek biedt dus een duidelijk fasediagram voor fototopologische faseovergangen (Figuur 4).
De resultaten laten zien dat er aandacht moet worden besteed aan de chiraliteit van dragerexcitatie nabij het Weyl-punt, en dat 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 computationele methode die in dit onderzoek wordt gebruikt de complexe interacties en het dynamische gedrag op atomair en elektronisch niveau op een supersnelle tijdschaal diepgaand begrijpen, hun microfysische mechanismen onthullen, en zal naar verwachting een krachtig hulpmiddel zijn voor toekomstig onderzoek naar niet-lineaire optische verschijnselen in topologische materialen.
De resultaten staan 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 wijst met een positief chiraliteitsteken (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
AFB. 2. Atoomstructuurdiagram van a, Td-WTe2; B. Bandstructuur nabij het Fermi-oppervlak; (c) Bandstructuur en relatieve bijdragen van atomaire orbitalen verdeeld langs hoge symmetrische lijnen in het Brillouin-gebied, pijlen (1) en (2) vertegenwoordigen respectievelijk excitatie dichtbij of ver van Weyl-punten; D. Versterking van de bandstructuur langs de Gamma-X-richting
FIG.3.ab: De relatieve beweging tussen de lagen van de polarisatierichting van lineair gepolariseerd licht 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 Weyl-punten in het kz=0-vlak
AFB. 4. Fototopologische faseovergang in Td-WTe2 voor lineair gepolariseerd licht fotonenergie (?) ω) en polarisatierichting (θ) afhankelijk fasediagram
Posttijd: 25 september 2023