Були досягнуті успіхи в дослідженні надшвидкого руху квазічастинок Вейля, керованоголазери
В останні роки теоретичні та експериментальні дослідження топологічних квантових станів і топологічних квантових матеріалів стали актуальною темою в галузі фізики конденсованих середовищ.Як нова концепція класифікації матерії, топологічний порядок, як і симетрія, є фундаментальним поняттям у фізиці конденсованого середовища.Глибоке розуміння топології пов’язане з основними проблемами фізики конденсованого середовища, такими як основна електронна структураквантові фази, квантові фазові переходи та збудження багатьох іммобілізованих елементів у квантових фазах.У топологічних матеріалах взаємодія між багатьма ступенями свободи, такими як електрони, фонони та спін, відіграє вирішальну роль у розумінні та регулюванні властивостей матеріалу.Світлове збудження можна використовувати для розрізнення різних взаємодій і маніпулювання станом речовини, а потім можна отримати інформацію про основні фізичні властивості матеріалу, структурні фазові переходи та нові квантові стани.В даний час мета дослідження – зв’язок між макроскопічною поведінкою топологічних матеріалів, керованих світловим полем, і їх мікроскопічною атомною структурою та електронними властивостями.
Поведінка фотоелектричного відгуку топологічних матеріалів тісно пов’язана з їх мікроскопічною електронною структурою.Для топологічних напівметалів збудження носіїв поблизу перетину смуги дуже чутливе до характеристик хвильової функції системи.Дослідження нелінійно-оптичних явищ у топологічних напівметалах може допомогти нам краще зрозуміти фізичні властивості збуджених станів системи, і очікується, що ці ефекти можна буде використати у виробництвіоптичні приладиі конструкція сонячних елементів, що забезпечує потенційне практичне застосування в майбутньому.Наприклад, у напівметалі Вейля поглинання фотона циркулярно поляризованого світла призведе до перевороту обертання, і для забезпечення збереження кутового моменту електронне збудження по обидва боки конуса Вейля буде асиметрично розподілено вздовж напрямок поширення циркулярно поляризованого світла, який називається хіральним правилом відбору (рис. 1).
Теоретичне дослідження нелінійно-оптичних явищ топологічних матеріалів зазвичай використовує метод поєднання розрахунку властивостей основного стану матеріалу та аналізу симетрії.Однак цей метод має деякі недоліки: йому не вистачає динамічної інформації в реальному часі про збуджені носії в просторі імпульсу та реальному просторі, і він не може встановити пряме порівняння з експериментальним методом детектування з часовим дозволом.Зв'язок між електрон-фононами та фотон-фононами не може бути розглянутий.І це має вирішальне значення для певних фазових переходів.Крім того, цей теоретичний аналіз, заснований на теорії збурень, не може розглядати фізичні процеси в сильному світловому полі.Моделювання функціональної молекулярної динаміки щільності, що залежить від часу (TDDFT-MD), засноване на перших принципах, може вирішити вищевказані проблеми.
Нещодавно під керівництвом дослідника Мен Шена, докторанту Гуань Менсюе та докторанту Ван Еню з групи SF10 Державної ключової лабораторії фізики поверхні Інституту фізики Китайської академії наук/Пекінського національного дослідницького центру концентрованих речовин Physics, у співпраці з професором Сунь Цзятао з Пекінського технологічного інституту, вони використали власно розроблене програмне забезпечення для моделювання динаміки збудженого стану TDAP.Досліджено характеристики відгуку квастічастинкового збудження на надшвидкий лазер у напівметалі Вейля WTe2 другого роду.
Було показано, що селективне збудження носіїв поблизу точки Вейля визначається атомною орбітальною симетрією та правилом відбору переходів, яке відрізняється від звичайного правила відбору спінів для хірального збудження, і шлях його збудження можна контролювати, змінюючи напрямок поляризації лінійно поляризованого світла та енергії фотонів (рис. 2).
Асиметричне збудження носіїв індукує фотоструми в різних напрямках у реальному просторі, що впливає на напрямок і симетрію міжшарового ковзання системи.Оскільки топологічні властивості WTe2, такі як кількість точок Вейля та ступінь поділу в просторі імпульсу, сильно залежать від симетрії системи (рис. 3), асиметричне збудження носіїв призведе до різної поведінки Вейля квазічастинок в імпульсному просторі та відповідні зміни топологічних властивостей системи.Таким чином, дослідження забезпечує чітку фазову діаграму для фототопологічних фазових переходів (рис. 4).
Результати показують, що слід звернути увагу на хіральність збудження носіїв поблизу точки Вейля та проаналізувати атомно-орбітальні властивості хвильової функції.Ефекти обох подібні, але механізм, очевидно, різний, що забезпечує теоретичну основу для пояснення сингулярності точок Вейля.Крім того, обчислювальний метод, прийнятий у цьому дослідженні, може глибоко зрозуміти складну взаємодію та динамічну поведінку на атомному та електронному рівнях у надшвидкому масштабі часу, виявити їхні мікрофізичні механізми та, як очікується, стане потужним інструментом для майбутніх досліджень на нелінійно-оптичні явища в топологічних матеріалах.
Результати опубліковані в журналі Nature Communications.Дослідницька робота підтримується Національним ключовим планом досліджень і розвитку, Національним фондом природничих наук і Стратегічним пілотним проектом (категорія B) Китайської академії наук.
ФІГ.1.а.Правило відбору хіральності для точок Вейля з позитивним знаком хіральності (χ=+1) під циркулярно поляризованим світлом;Селективне збудження через симетрію атомної орбіти в точці Вейля b.χ=+1 в прямому поляризованому світлі
ФІГ.2. Схема будови атома a, Td-WTe2;b.Зонова структура поблизу поверхні Фермі;(c) Смугова структура та відносні внески атомних орбіталей, розподілених уздовж високих симетричних ліній в області Бріллюена, стрілки (1) і (2) представляють збудження поблизу або далеко від точок Вейля відповідно;d.Посилення смугової структури вздовж напрямку Gamma-X
ФІГ.3.ab: проілюстровано відносний міжшаровий рух лінійно поляризованого напрямку поляризації світла вздовж осі А та осі В кристала та відповідний режим руху;C. Порівняння між теоретичним моделюванням та експериментальним спостереженням;de: Еволюція симетрії системи та положення, кількість і ступінь поділу двох найближчих точок Вейля в площині kz=0
ФІГ.4. Фототопологічний фазовий перехід у Td-WTe2 для лінійно поляризованого фотона світла, залежного від енергії (?) ω) та напрямку поляризації (θ) фазової діаграми
Час публікації: 25 вересня 2023 р