Досягнуто прогресу у вивченні надшвидкого руху квазічастинок Вейля, контрольованоголазери
В останні роки теоретичні та експериментальні дослідження топологічних квантових станів та топологічних квантових матеріалів стали гарячою темою в галузі фізики конденсованих середовищ. Топологічний порядок, як і симетрія, як нова концепція класифікації матерії, є фундаментальною концепцією у фізиці конденсованих середовищ. Глибоке розуміння топології пов'язане з основними проблемами фізики конденсованих середовищ, такими як базова електронна структураквантові фази, квантові фазові переходи та збудження багатьох іммобілізованих елементів у квантових фазах. У топологічних матеріалах зв'язок між багатьма ступенями свободи, такими як електрони, фонони та спін, відіграє вирішальну роль у розумінні та регулюванні властивостей матеріалів. Світлове збудження може бути використане для розрізнення різних взаємодій та маніпулювання станом речовини, що дозволяє отримати інформацію про основні фізичні властивості матеріалу, структурні фазові переходи та нові квантові стани. Наразі метою дослідження став зв'язок між макроскопічною поведінкою топологічних матеріалів, керованою світловим полем, та їхньою мікроскопічною атомною структурою та електронними властивостями.
Фотоелектрична поведінка топологічних матеріалів тісно пов'язана з їх мікроскопічною електронною структурою. Для топологічних напівметалів збудження носіїв поблизу перетину зон є дуже чутливим до характеристик хвильової функції системи. Вивчення нелінійних оптичних явищ у топологічних напівметалах може допомогти нам краще зрозуміти фізичні властивості збуджених станів системи, і очікується, що ці ефекти можуть бути використані у виробництві...оптичні пристроїта конструкцію сонячних елементів, що забезпечує потенційне практичне застосування в майбутньому. Наприклад, у напівметалі Вейля поглинання фотона циркулярно поляризованого світла призведе до зміни спіну, і для забезпечення збереження кутового моменту електронне збудження з обох боків конуса Вейля буде асиметрично розподілено вздовж напрямку поширення циркулярно поляризованого світла, що називається хіральною схемою відбору (рис. 1).
Теоретичне вивчення нелінійних оптичних явищ топологічних матеріалів зазвичай використовує метод поєднання розрахунку властивостей основного стану матеріалу та аналізу симетрії. Однак цей метод має деякі недоліки: йому бракує динамічної інформації про збуджені носії в реальному часі в імпульсному та реальному просторі, і він не може встановити пряме порівняння з експериментальним методом детектування з роздільною здатністю в часі. Не можна враховувати зв'язок між електрон-фононами та фотон-фононами. А це є критично важливим для виникнення певних фазових переходів. Крім того, цей теоретичний аналіз, заснований на теорії збурень, не може враховувати фізичні процеси в сильному світловому полі. Моделювання молекулярної динаміки з використанням функціоналу густини, що залежить від часу (TDDFT-MD), засноване на перших принципах, може вирішити вищезазначені проблеми.
Нещодавно під керівництвом дослідника Мен Шена, постдокторанта Гуань Менсюе та докторанта Ван Ена з групи SF10 Державної ключової лабораторії фізики поверхні Інституту фізики Китайської академії наук/Пекінського національного дослідницького центру фізики концентрованих речовин, у співпраці з професором Сунь Цзятао з Пекінського технологічного інституту, вони використали розроблене власноруч програмне забезпечення для моделювання динаміки збудженого стану TDAP. Досліджено характеристики відгуку квазічастинкового збудження на надшвидкий лазер у другому типі напівметалу Вейля WTe2.
Було показано, що селективне збудження носіїв поблизу точки Вейля визначається атомною орбітальною симетрією та правилом відбору переходів, яке відрізняється від звичайного правила спінового відбору для хірального збудження, а шлях його збудження можна контролювати, змінюючи напрямок поляризації лінійно поляризованого світла та енергію фотонів (рис. 2).
Асиметричне збудження носіїв заряду індукує фотоструми в різних напрямках у реальному просторі, що впливає на напрямок та симетрію міжшарового ковзання системи. Оскільки топологічні властивості WTe2, такі як кількість точок Вейля та ступінь розділення в імпульсному просторі, сильно залежать від симетрії системи (Рисунок 3), асиметричне збудження носіїв заряду призведе до різної поведінки квастічастинок Вейля в імпульсному просторі та відповідних змін у топологічних властивостях системи. Таким чином, дослідження забезпечує чітку фазову діаграму для фототопологічних фазових переходів (Рисунок 4).
Результати показують, що слід звернути увагу на хіральність збудження носіїв заряду поблизу точки Вейля та проаналізувати атомно-орбітальні властивості хвильової функції. Вплив цих двох факторів схожий, але механізм, очевидно, відрізняється, що забезпечує теоретичну основу для пояснення сингулярності точок Вейля. Крім того, обчислювальний метод, використаний у цьому дослідженні, дозволяє глибоко зрозуміти складні взаємодії та динамічну поведінку на атомному та електронному рівнях у надшвидкому часовому масштабі, виявити їхні мікрофізичні механізми та, як очікується, стане потужним інструментом для майбутніх досліджень нелінійних оптичних явищ у топологічних матеріалах.
Результати опубліковані в журналі Nature Communications. Дослідницька робота підтримується Національним ключовим планом досліджень і розробок, Національним фондом природничих наук та Стратегічним пілотним проектом (категорія B) Китайської академії наук.
РИС. 1.a. Правило хіральності для точок Вейля з позитивним знаком хіральності (χ=+1) під циркулярно поляризованим світлом; Селективне збудження через атомну орбітальну симетрію в точці Вейля b. χ=+1 в онлайн-поляризованому світлі
РИС. 2. Діаграма атомної структури a, Td-WTe2; b. Зонна структура поблизу поверхні Фермі; (c) Зонна структура та відносні внески атомних орбіталей, розподілених вздовж ліній високої симетрії в області Бріллюена, стрілки (1) та (2) представляють збудження поблизу або далеко від точок Вейля відповідно; d. Посилення зонної структури вздовж напрямку Gamma-X
РИС.3.ab: Проілюстровано відносний міжшаровий рух напрямку поляризації лінійно поляризованого світла вздовж осі A та осі B кристала, а також відповідний режим руху; C. Порівняння теоретичного моделювання та експериментального спостереження; de: Еволюція симетрії системи та положення, кількість та ступінь розділення двох найближчих точок Вейля в площині kz=0
РИС. 4. Фототопологічний фазовий перехід у Td-WTe2 для фазової діаграми, що залежить від енергії фотонів лінійно поляризованого світла (?) ω) та напрямку поляризації (θ).
Час публікації: 25 вересня 2023 р.