Er is vooruitgang geboekt in het onderzoek naar de ultrasnelle beweging van Weil-quasideeltjes, die wordt aangestuurd doorlasers
De laatste jaren is theoretisch en experimenteel onderzoek naar topologische kwantumtoestanden en topologische kwantummaterialen een belangrijk onderwerp geworden binnen de vastestoffysica. Topologische ordening, net als symmetrie, is als nieuw concept voor de classificatie van materie een fundamenteel concept in de vastestoffysica. Een diepgaand begrip van topologie is essentieel voor de fundamentele vraagstukken in de vastestoffysica, zoals de basiselektronische structuur vankwantumfasenKwantumfaseovergangen en excitatie van vele geïmmobiliseerde elementen in kwantumfasen spelen een belangrijke rol. In topologische materialen speelt de koppeling tussen vele vrijheidsgraden, zoals elektronen, fononen en spin, een cruciale rol in het begrijpen en reguleren van materiaaleigenschappen. Lichtexcitatie kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen verschillende interacties en de toestand van materie te manipuleren, waardoor informatie over de fundamentele fysische eigenschappen van het materiaal, structurele faseovergangen en nieuwe kwantumtoestanden kan worden verkregen. Momenteel is de relatie tussen het macroscopische gedrag van topologische materialen onder invloed van een lichtveld en hun microscopische atomaire structuur en elektronische eigenschappen een belangrijk onderzoeksdoel.
Het foto-elektrische responsgedrag van topologische materialen is nauw verbonden met hun microscopische elektronische structuur. Voor topologische halfmetalen is de ladingsdragerexcitatie nabij de bandkruising 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 naar verwachting kunnen deze effecten worden gebruikt bij de fabricage van topologische halfmetalen.optische apparatenen het ontwerp van zonnecellen, wat in de toekomst potentiële praktische toepassingen biedt. In een Weyl-semimetaal zal bijvoorbeeld de absorptie van een foton van circulair gepolariseerd licht een spinomkering veroorzaken. Om te voldoen aan het behoud van impulsmoment, zal de elektronexcitatie aan beide zijden van de Weyl-kegel asymmetrisch verdeeld zijn langs de richting van de voortplanting van het circulair gepolariseerde licht. Dit wordt de chirale selectieregel genoemd (Figuur 1).
De theoretische studie van niet-lineaire optische verschijnselen in topologische materialen maakt doorgaans gebruik van een methode die de berekening van de eigenschappen van de grondtoestand van het materiaal combineert met een symmetrieanalyse. Deze methode kent echter enkele tekortkomingen: ze mist realtime dynamische informatie over aangeslagen ladingsdragers in de impulsruimte en de reële ruimte, en kan niet direct worden vergeleken met tijdopgeloste experimentele detectiemethoden. De koppeling tussen elektron-fononen en foton-fononen wordt niet meegenomen, terwijl dit cruciaal is voor het optreden van bepaalde faseovergangen. Bovendien kan deze theoretische analyse op basis van perturbatietheorie geen rekening houden met fysische processen onder invloed van een sterk lichtveld. De tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionele moleculaire dynamica (TDDFT-MD) simulatie op basis van eerste principes kan deze problemen oplossen.
Onlangs hebben onderzoekers Meng Sheng, postdoctoraal onderzoeker Guan Mengxue en promovendus Wang En van de SF10-groep van het Staatslaboratorium voor Oppervlaktefysica van het Instituut voor Fysica van de Chinese Academie van Wetenschappen/Nationaal Onderzoekscentrum voor Geconcentreerde Materiefysica in Peking, in samenwerking met professor Sun Jiatao van het Beijing Institute of Technology, met behulp van de zelfontwikkelde simulatiesoftware TDAP voor de dynamica van aangeslagen toestanden, de responsiekarakteristieken van quasi-deeltjesexcitatie op een ultrasnelle laser in het tweede type Weyl-semimetaal WTe2 onderzocht.
Er is aangetoond dat de selectieve excitatie van ladingsdragers nabij het Weyl-punt wordt bepaald door de symmetrie van de atomaire orbitalen en de overgangsselectieregel, die verschilt van de gebruikelijke spinselectieregel voor chirale excitatie, en dat het excitatiepad kan worden gecontroleerd door de polarisatierichting van lineair gepolariseerd licht en de fotonenergie te veranderen (figuur 2).
De asymmetrische excitatie van ladingsdragers induceert fotostromen in verschillende richtingen in de reële ruimte, wat de richting en symmetrie van de interlaagverschuiving van het systeem beïnvloedt. Omdat de topologische eigenschappen van WTe2, zoals het aantal Weyl-punten en de mate van scheiding in de impulsruimte, sterk afhankelijk zijn van de symmetrie van het systeem (Figuur 3), zal de asymmetrische excitatie van ladingsdragers leiden tot verschillend gedrag van Weyl-quastideeltjes in de impulsruimte en overeenkomstige veranderingen in de topologische eigenschappen van het systeem. Dit onderzoek levert dus een duidelijk fasediagram voor fototopologische faseovergangen (Figuur 4).
De resultaten tonen aan dat er aandacht moet worden besteed aan de chiraliteit van de ladingsdrager-excitatie nabij het Weyl-punt, en dat de atomaire orbitaaleigenschappen van de golffunctie moeten worden geanalyseerd. De effecten van beide zijn vergelijkbaar, maar het mechanisme is duidelijk verschillend, wat een theoretische basis biedt voor het verklaren van de singulariteit van Weyl-punten. Bovendien kan de in deze studie gebruikte rekenmethode de complexe interacties en dynamische gedragingen op atomair en elektronisch niveau in een supersnelle tijdschaal diepgaand begrijpen, hun microfysische mechanismen onthullen en zal naar verwachting een krachtig instrument zijn voor toekomstig onderzoek naar niet-lineaire optische verschijnselen in topologische materialen.
De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications. Het onderzoek wordt ondersteund door het Nationale Sleutelonderzoek- en Ontwikkelingsplan, de Nationale Natuurwetenschappelijke Stichting en het Strategisch Pilotproject (Categorie B) van de Chinese Academie van Wetenschappen.
FIG.1.a. De chiraliteitsselectieregel voor Weyl-punten met een positief chiraliteitsteken (χ=+1) onder circulair gepolariseerd licht; Selectieve excitatie als gevolg van atomaire orbitaalsymmetrie bij het Weyl-punt van b. χ=+1 in in-line gepolariseerd licht
FIG. 2. Atoomstructuurdiagram van a, Td-WTe2; b. Bandstructuur nabij het Fermi-oppervlak; c) Bandstructuur en relatieve bijdragen van atoomorbitalen verdeeld langs hoogsymmetrische lijnen in het Brillouin-gebied, pijlen (1) en (2) geven respectievelijk excitatie nabij of ver van Weyl-punten weer; d. Versterking van de bandstructuur langs de Gamma-X-richting
FIG. 3.ab: De relatieve interlaagbeweging van lineair gepolariseerd licht langs de A-as en B-as van het kristal, en de bijbehorende bewegingsmodus wordt geïllustreerd; C. Vergelijking tussen theoretische simulatie en experimentele waarneming; 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
FIG. 4. Fototopologische faseovergang in Td-WTe2 voor lineair gepolariseerd licht, afhankelijk van de fotonenergie (Δω) en de polarisatierichting (θ).
Geplaatst op: 25 september 2023