Er is vooruitgang geboekt in het onderzoek naar de ultrasnelle beweging van Weil-quasideeltjes, aangestuurd doorlasers
De laatste jaren is theoretisch en experimenteel onderzoek naar topologische kwantumtoestanden en topologische kwantummaterialen een hot topic geworden in de natuurkunde van de gecondenseerde materie. Topologische orde, net als symmetrie, is een nieuw concept in de classificatie van materie en een fundamenteel concept in de natuurkunde van de gecondenseerde materie. Een diepgaand begrip van topologie is gerelateerd aan de fundamentele problemen in de natuurkunde van de gecondenseerde materie, zoals de fundamentele elektronische structuur vankwantumfasen, kwantumfaseovergangen en excitatie van vele geïmmobiliseerde elementen in kwantumfasen. In topologische materialen speelt de koppeling tussen vele vrijheidsgraden, zoals elektronen, fononen en spin, een doorslaggevende rol bij het begrijpen en reguleren van materiaaleigenschappen. Lichtexcitatie kan worden gebruikt om onderscheid te maken tussen verschillende interacties en de toestand van de materie te manipuleren, en vervolgens kan informatie worden verkregen over de fundamentele fysische eigenschappen van het materiaal, structurele faseovergangen en nieuwe kwantumtoestanden. Momenteel is de relatie tussen macroscopisch gedrag van topologische materialen, aangestuurd door een lichtveld, en hun microscopische atomaire structuur en elektronische eigenschappen een onderzoeksdoel geworden.
Het foto-elektrische responsgedrag van topologische materialen is nauw verbonden met de microscopische elektronische structuur. Voor topologische halfmetalen is de excitatie van de ladingsdrager nabij de banddoorsnede 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 de verwachting is dat deze effecten kunnen worden gebruikt bij de productie vanoptische apparatenen het ontwerp van zonnecellen, wat in de toekomst potentiële praktische toepassingen biedt. In een Weyl-halfmetaal bijvoorbeeld zal de absorptie van een foton van circulair gepolariseerd licht ervoor zorgen dat de spin omslaat, en om te voldoen aan de wet van behoud van impulsmoment zal de elektronenexcitatie aan beide zijden van de Weyl-kegel asymmetrisch verdeeld zijn langs de voortplantingsrichting van het circulair gepolariseerde licht, wat de chirale selectieregel wordt genoemd (Figuur 1).
De theoretische studie van niet-lineaire optische verschijnselen van topologische materialen maakt doorgaans gebruik van de methode van het combineren van de berekening van de grondtoestandseigenschappen van het materiaal met symmetrieanalyse. Deze methode heeft echter enkele tekortkomingen: ze mist de realtime dynamische informatie van geëxciteerde ladingsdragers in impulsruimte en reële ruimte, en ze kan geen directe vergelijking maken met de tijdsafhankelijke experimentele detectiemethode. De koppeling tussen elektron-fononen en foton-fononen kan niet in aanmerking worden genomen. Dit is cruciaal voor het optreden van bepaalde faseovergangen. Bovendien kan deze theoretische analyse, gebaseerd op perturbatietheorie, de fysische processen onder een sterk lichtveld niet verwerken. De simulatie met tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionele moleculaire dynamica (TDDFT-MD) op basis van basisprincipes kan de bovenstaande problemen oplossen.
Onlangs hebben ze, onder begeleiding van onderzoeker Meng Sheng, postdoctoraal onderzoeker Guan Mengxue en promovendus Wang En van de SF10-groep 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 Physics, in samenwerking met professor Sun Jiatao van het Beijing Institute of Technology, de zelfontwikkelde simulatiesoftware TDAP voor geëxciteerde toestandsdynamica gebruikt. De responskarakteristieken van quastideeltjesexcitatie op een ultrasnelle laser in het tweede type Weyl-halfmetaal WTe2 zijn onderzocht.
Er is aangetoond dat de selectieve excitatie van dragers nabij het Weyl-punt wordt bepaald door atomaire orbitaalsymmetrie en overgangsselectieregel, die verschilt van de gebruikelijke spinselectieregel voor chirale excitatie. Het excitatiepad kan worden gecontroleerd door de polarisatierichting van lineair gepolariseerd licht en fotonenergie te veranderen (FIG. 2).
De asymmetrische excitatie van ladingsdragers induceert fotostromen in verschillende richtingen in de reële ruimte, wat de richting en symmetrie van de tussenlaagslip 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 bijbehorende veranderingen in de topologische eigenschappen van het systeem. De studie biedt dus een duidelijk fasediagram voor fototopologische faseovergangen (Figuur 4).
De resultaten tonen aan dat er aandacht moet worden besteed aan de chiraliteit van de excitatie van ladingsdragers nabij het Weyl-punt en dat de atomaire orbitaaleigenschappen van de golffunctie geanalyseerd moeten worden. De effecten van beide zijn vergelijkbaar, maar het mechanisme is duidelijk verschillend, wat een theoretische basis biedt voor de verklaring van de singulariteit van Weyl-punten. Bovendien kan de in deze studie gebruikte computationele methode de complexe interacties en het dynamische gedrag op atomair en elektronisch niveau in een supersnelle tijdschaal diepgaand begrijpen, hun microfysische mechanismen onthullen en naar verwachting een krachtig hulpmiddel 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 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 een positief chiraliteitsteken (χ=+1) onder circulair gepolariseerd licht; Selectieve excitatie als gevolg van atomaire orbitaalsymmetrie in het Weyl-punt van b. χ=+1 in on-line gepolariseerd licht
FIG. 2. Atomair structuurdiagram van a, Td-WTe2; b. Bandstructuur nabij het Fermi-oppervlak; (c) Bandstructuur en relatieve bijdragen van atomaire orbitalen 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 beweging tussen de lagen van de polarisatierichting van lineair gepolariseerd licht langs de A-as en B-as van het kristal, en de bijbehorende bewegingsmodus worden 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
FIG. 4. Fototopologische faseovergang in Td-WTe2 voor lineair gepolariseerd licht, fotonenergie (?) ω) en polarisatierichting (θ) afhankelijk fasediagram
Plaatsingstijd: 25-09-2023