Постигнат е напредък в изследването на ултрабързото движение на квазичастици на Вейл, контролирано отлазери
През последните години теоретичните и експериментални изследвания върху топологични квантови състояния и топологични квантови материали се превърнаха в гореща тема в областта на физиката на кондензираната материя. Като нова концепция за класификация на материята, топологичният ред, подобно на симетрията, е фундаментална концепция във физиката на кондензираната материя. Дълбокото разбиране на топологията е свързано с основните проблеми във физиката на кондензираната материя, като например основната електронна структура наквантови фази, квантови фазови преходи и възбуждане на много неподвижни елементи в квантови фази. В топологичните материали, връзката между много степени на свобода, като електрони, фонони и спин, играе решаваща роля в разбирането и регулирането на свойствата на материалите. Светлинното възбуждане може да се използва за разграничаване на различни взаимодействия и манипулиране на състоянието на материята, като по този начин може да се получи информация за основните физични свойства на материала, структурните фазови преходи и новите квантови състояния. В момента връзката между макроскопското поведение на топологичните материали, задвижвани от светлинно поле, и тяхната микроскопична атомна структура и електронни свойства се е превърнала в цел на изследването.
Фотоелектричното поведение на топологичните материали е тясно свързано с тяхната микроскопична електронна структура. За топологичните полуметали, възбуждането на носителите в близост до пресечната точка на лентите е силно чувствително към характеристиките на вълновата функция на системата. Изучаването на нелинейните оптични явления в топологичните полуметали може да ни помогне да разберем по-добре физичните свойства на възбудените състояния на системата и се очаква тези ефекти да могат да бъдат използвани при производството на...оптични устройстваи проектирането на слънчеви клетки, осигурявайки потенциални практически приложения в бъдеще. Например, в полуметал на Вейл, поглъщането на фотон от кръгово поляризирана светлина ще доведе до обръщане на спина и за да се спази запазването на ъгловия момент, електронното възбуждане от двете страни на конуса на Вейл ще бъде асиметрично разпределено по посока на разпространение на кръгово поляризираната светлина, което се нарича правило за хирален подбор (Фигура 1).
Теоретичното изследване на нелинейните оптични явления на топологичните материали обикновено използва метода на комбиниране на изчисляването на свойствата на основното състояние на материала и анализа на симетрията. Този метод обаче има някои недостатъци: липсва му динамична информация в реално време за възбудените носители в импулсното пространство и реалното пространство и не може да установи директно сравнение с експерименталния метод за детекция с времева резолюция. Връзката между електрон-фононите и фотон-фононите не може да бъде взета предвид. А това е от решаващо значение за осъществяването на определени фазови преходи. Освен това, този теоретичен анализ, базиран на теорията на пертурбациите, не може да се справи с физичните процеси под въздействието на силно светлинно поле. Симулацията на времезависимата молекулярна динамика с функционална плътност (TDDFT-MD), базирана на първите принципи, може да реши горните проблеми.
Наскоро, под ръководството на изследователя Менг Шън, постдокторанта Гуан Менгсюе и докторанта Уанг Ен от групата SF10 на Държавната ключова лаборатория по физика на повърхностите към Института по физика на Китайската академия на науките/Пекински национален изследователски център за физика на концентрираната материя, в сътрудничество с професор Сун Джиатао от Пекинския технологичен институт, те използваха самостоятелно разработения софтуер за симулация на динамиката на възбудените състояния TDAP. Изследвани са характеристиките на отклика на квазичастичното възбуждане към ултрабърз лазер във втория вид полуметал WTe2 на Вейл.
Показано е, че селективното възбуждане на носителите в близост до точката на Вейл се определя от атомната орбитална симетрия и правилото за селекция на преходи, което е различно от обичайното правило за спинова селекция за хирално възбуждане, а пътят на възбуждане може да се контролира чрез промяна на посоката на поляризация на линейно поляризирана светлина и енергията на фотоните (фиг. 2).
Асиметричното възбуждане на носителите индуцира фототокове в различни посоки в реалното пространство, което влияе върху посоката и симетрията на междуслойното приплъзване на системата. Тъй като топологичните свойства на WTe2, като броя на точките на Вейл и степента на разделяне в импулсното пространство, са силно зависими от симетрията на системата (Фигура 3), асиметричното възбуждане на носителите ще доведе до различно поведение на квастичастиците на Вейл в импулсното пространство и съответните промени в топологичните свойства на системата. По този начин, изследването предоставя ясна фазова диаграма за фототопологични фазови преходи (Фигура 4).
Резултатите показват, че трябва да се обърне внимание на хиралността на възбуждането на носителите близо до точката на Вейл и да се анализират атомните орбитални свойства на вълновата функция. Ефектите от двете са сходни, но механизмът очевидно е различен, което осигурява теоретична основа за обяснение на сингулярността на точките на Вейл. Освен това, изчислителният метод, възприет в това изследване, може да разбере задълбочено сложните взаимодействия и динамичното поведение на атомно и електронно ниво в свръхбърз времеви мащаб, да разкрие техните микрофизични механизми и се очаква да бъде мощен инструмент за бъдещи изследвания на нелинейните оптични явления в топологични материали.
Резултатите са публикувани в списанието Nature Communications. Изследователската работа е подкрепена от Националния ключов план за изследвания и разработки, Националната фондация за природни науки и Стратегическия пилотен проект (категория Б) на Китайската академия на науките.
ФИГ. 1.a. Правилото за хиралност за точки на Вейл с положителен знак за хиралност (χ=+1) под кръгово поляризирана светлина; Селективно възбуждане поради атомна орбитална симетрия в точката на Вейл на b. χ=+1 в онлайн поляризирана светлина
ФИГ. 2. Диаграма на атомната структура на a, Td-WTe2; b. Лентова структура близо до повърхността на Ферми; (c) Лентова структура и относителен принос на атомните орбитали, разпределени по линии с висока симетрия в областта на Брилюен, стрелките (1) и (2) представляват възбуждане съответно близо до или далеч от точките на Вейл; d. Усилване на лентовата структура по посока Гама-X
ФИГ.3.ab: Илюстрирано е относителното междуслойно движение на линейно поляризираната посока на поляризация на светлината по оста A и оста B на кристала и съответния режим на движение; C. Сравнение между теоретична симулация и експериментално наблюдение; de: Еволюция на симетрията на системата и позицията, броят и степента на разделяне на двете най-близки точки на Вейл в равнината kz=0
ФИГ. 4. Фототопологичен фазов преход в Td-WTe2 за фазова диаграма, зависима от енергията на фотоните (?) ω) и посоката на поляризация (θ) на линейно поляризирана светлина.
Време на публикуване: 25 септември 2023 г.