Постигнат е напредък в изследването на свръхбързото движение на квазичастиците на Weil, контролирани отлазери
През последните години теоретичните и експериментални изследвания на 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 основната електронна структура наквантови фази, квантови фазови преходи и възбуждане на много имобилизирани елементи в квантови фази.В топологичните материали свързването между много степени на свобода, като електрони, фонони и спин, играе решаваща роля в разбирането и регулирането на свойствата на материала.Светлинното възбуждане може да се използва за разграничаване между различни взаимодействия и манипулиране на състоянието на материята, като след това може да се получи информация за основните физични свойства на материала, структурни фазови преходи и нови квантови състояния.Понастоящем връзката между макроскопичното поведение на топологични материали, управлявани от светлинно поле и тяхната микроскопична атомна структура и електронни свойства, се превърна в изследователска цел.
Поведението на фотоелектричния отговор на топологичните материали е тясно свързано с неговата микроскопична електронна структура.За топологичните полуметали, възбуждането на носителя близо до пресичането на лентата е силно чувствително към характеристиките на вълновата функция на системата.Изследването на нелинейни оптични явления в топологични полуметали може да ни помогне да разберем по-добре физичните свойства на възбудените състояния на системата и се очаква, че тези ефекти могат да бъдат използвани при производството наоптични устройстваи проектирането на слънчеви клетки, осигуряващи потенциални практически приложения в бъдеще.Например, в полуметал на Weyl, абсорбирането на фотон от кръгово поляризирана светлина ще доведе до обръщане на въртенето и за да се спази запазването на ъгловия импулс, електронното възбуждане от двете страни на конуса на Weyl ще бъде асиметрично разпределено по дължината посоката на разпространение на кръгово поляризирана светлина, която се нарича правило за хирална селекция (Фигура 1).
Теоретичното изследване на нелинейни оптични явления на топологични материали обикновено приема метода за комбиниране на изчисляването на свойствата на основното състояние на материала и анализа на симетрията.Въпреки това, този метод има някои дефекти: липсва му динамичната информация в реално време за възбудените носители в пространството на импулса и реалното пространство и не може да установи пряко сравнение с експерименталния метод за откриване с разрешение във времето.Свързването между електрон-фонони и фотон-фонони не може да се вземе предвид.И това е от решаващо значение за възникването на определени фазови преходи.В допълнение, този теоретичен анализ, базиран на теорията на смущенията, не може да се справи с физическите процеси под силното светлинно поле.Симулацията на зависимата от времето функционална молекулярна динамика на плътността (TDDFT-MD), базирана на първите принципи, може да реши горните проблеми.
Наскоро, под ръководството на изследователя Meng Sheng, постдокторант Guan Mengxue и докторант Wang En от групата SF10 на Държавната ключова лаборатория по физика на повърхността на Института по физика на Китайската академия на науките/Национален изследователски център за концентрирана материя в Пекин Physics, в сътрудничество с професор Sun Jiatao от Пекинския технологичен институт, те използваха самостоятелно разработения софтуер за симулация на динамиката на възбудено състояние TDAP.Изследвани са характеристиките на реакцията на възбуждане на квастичастици към ултрабърз лазер във втория вид Weyl полуметал WTe2.
Показано е, че селективното възбуждане на носители близо до точката на Weyl се определя от атомната орбитална симетрия и правилото за избор на преход, което е различно от обичайното правило за избор на въртене за хирално възбуждане и неговият път на възбуждане може да се контролира чрез промяна на посоката на поляризация на линейно поляризирана светлина и фотонна енергия (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 Weyl 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 Weyl квастичастици 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 носителя близо до точката на Weyl и трябва 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 Weyl.В допълнение, изчислителният метод, възприет в това изследване, може да разбере дълбоко сложните взаимодействия и динамичното поведение на атомно и електронно ниво в супер бърз времеви мащаб, да разкрие техните микрофизични механизми и се очаква да бъде мощен инструмент за бъдещи изследвания на нелинейни оптични явления в топологични материали.
Резултатите са в списанието Nature Communications.Изследователската работа се подкрепя от Националния ключов план за научни изследвания и развитие, Националната природонаучна фондация и Стратегическия пилотен проект (Категория B) на Китайската академия на науките.
ФИГ.1.а.Правилото за избор на хиралност за точки на Weyl с положителен знак за хиралност (χ=+1) при кръгова поляризирана светлина;Селективно възбуждане, дължащо се на атомна орбитална симетрия в точката на Weyl на b.χ=+1 в онлайн поляризирана светлина
Фиг.2. Схема на атомната структура на a, Td-WTe2;b.Лентова структура близо до повърхността на Ферми;(c) Лентова структура и относителни приноси на атомни орбитали, разпределени по протежение на високи симетрични линии в района на Brillouin, стрелки (1) и (2) представляват съответно възбуждане близо или далеч от точките на Weyl;д.Усилване на лентовата структура по направлението Gamma-X
ФИГУРА 3.ab: Относителното междуслойно движение на посоката на поляризация на линейно поляризирана светлина по оста A и B-ос на кристала и съответният режим на движение е илюстриран;C. Сравнение между теоретична симулация и експериментално наблюдение;de: Еволюция на симетрията на системата и позицията, броя и степента на разделяне на двете най-близки точки на Weyl в равнината kz=0
Фиг.4. Фототопологичен фазов преход в Td-WTe2 за линейно поляризирана светлинна фотонна енергия (?) ω) и фазова диаграма, зависима от посоката на поляризация (θ)
Време на публикуване: 25 септември 2023 г