Ve studiu ultrarychlého pohybu Weilových kvazičástic řízenýchlasery
V posledních letech se teoretický a experimentální výzkum topologických kvantových stavů a topologických kvantových materiálů stal žhavým tématem v oblasti fyziky kondenzovaných látek. Topologický řád, stejně jako symetrie, je jako nový koncept klasifikace hmoty základním konceptem fyziky kondenzovaných látek. Hluboké pochopení topologie souvisí se základními problémy fyziky kondenzovaných látek, jako je základní elektronová strukturakvantové fáze, kvantové fázové přechody a excitace mnoha imobilizovaných prvků v kvantových fázích. V topologických materiálech hraje vazba mezi mnoha stupni volnosti, jako jsou elektrony, fonony a spin, rozhodující roli v pochopení a regulaci materiálových vlastností. Světelnou excitaci lze použít k rozlišení mezi různými interakcemi a manipulaci se stavem hmoty, a tak lze získat informace o základních fyzikálních vlastnostech materiálu, strukturních fázových přechodech a nových kvantových stavech. V současné době se výzkumným cílem stal vztah mezi makroskopickým chováním topologických materiálů řízeným světelným polem a jejich mikroskopickou atomovou strukturou a elektronickými vlastnostmi.
Fotoelektrické chování topologických materiálů úzce souvisí s jejich mikroskopickou elektronovou strukturou. U topologických polokovů je excitace nosičů náboje v blízkosti průsečíku pásů vysoce citlivá na charakteristiky vlnové funkce systému. Studium nelineárních optických jevů v topologických polokovech nám může pomoci lépe porozumět fyzikálním vlastnostem excitovaných stavů systému a očekává se, že tyto jevy lze využít při výrobě...optická zařízenía návrh solárních článků, což v budoucnu nabízí potenciální praktické aplikace. Například u Weylova polokovu způsobí absorpce fotonu kruhově polarizovaného světla převrácení spinu a aby se splnil zákon zachování momentu hybnosti, bude excitace elektronů na obou stranách Weylova kužele asymetricky rozložena podél směru šíření kruhově polarizovaného světla, což se nazývá chirální selekční pravidlo (obrázek 1).
Teoretické studium nelineárních optických jevů topologických materiálů obvykle využívá metodu kombinující výpočet vlastností základního stavu materiálu a analýzu symetrie. Tato metoda má však určité nedostatky: chybí jí informace o dynamice excitovaných nosičů v reálném čase v prostoru hybnosti a reálném prostoru a nelze ji přímo srovnat s časově rozlišenou experimentální detekční metodou. Nelze zohlednit vazbu mezi elektron-fonony a foton-fonony. A to je klíčové pro výskyt určitých fázových přechodů. Tato teoretická analýza založená na teorii poruch se navíc nedokáže zabývat fyzikálními procesy v silném světelném poli. Výše uvedené problémy může vyřešit časově závislá simulace molekulární dynamiky s funkcionálem hustoty (TDDFT-MD) založená na prvních principech.
Nedávno pod vedením výzkumníka Meng Shenga, postdoktoranda Guana Mengxuea a doktoranda Wang Ena ze skupiny SF10 Státní klíčové laboratoře povrchové fyziky Fyzikálního ústavu Čínské akademie věd/Pekingského národního výzkumného centra pro fyziku koncentrovaných látek ve spolupráci s profesorem Sun Jiataem z Pekingského technologického institutu použili vlastní vyvinutý software pro simulaci dynamiky excitovaného stavu TDAP. Jsou zkoumány charakteristiky odezvy kvazičásticové excitace ultrarychlým laserem v druhém druhu Weylova polokovu WTe2.
Bylo prokázáno, že selektivní excitace nosičů náboje v blízkosti Weylova bodu je určena atomovou orbitální symetrií a pravidlem výběru přechodů, které se liší od obvyklého pravidla výběru spinů pro chirální excitaci, a jeho excitační dráhu lze řídit změnou směru polarizace lineárně polarizovaného světla a energie fotonu (obr. 2).
Asymetrická excitace nosičů náboje indukuje v reálném prostoru fotoproudy v různých směrech, což ovlivňuje směr a symetrii mezivrstvového skluzu systému. Vzhledem k tomu, že topologické vlastnosti WTe2, jako je počet Weylových bodů a stupeň separace v hybnostním prostoru, jsou vysoce závislé na symetrii systému (obrázek 3), asymetrická excitace nosičů náboje způsobí odlišné chování Weylových kvastičástic v hybnostním prostoru a odpovídající změny v topologických vlastnostech systému. Studie tak poskytuje jasný fázový diagram pro fototopologické fázové přechody (obrázek 4).
Výsledky ukazují, že je třeba věnovat pozornost chiralitě excitace nosičů náboje v blízkosti Weylova bodu a analyzovat atomové orbitální vlastnosti vlnové funkce. Účinky obou faktorů jsou podobné, ale mechanismus je zjevně odlišný, což poskytuje teoretický základ pro vysvětlení singularity Weylových bodů. Výpočetní metoda použitá v této studii navíc umožňuje hluboce porozumět komplexním interakcím a dynamickému chování na atomové a elektronické úrovni v superrychlém časovém měřítku, odhalit jejich mikrofyzikální mechanismy a očekává se, že bude účinným nástrojem pro budoucí výzkum nelineárních optických jevů v topologických materiálech.
Výsledky jsou publikovány v časopise Nature Communications. Výzkumná práce je podporována Národním klíčovým plánem výzkumu a vývoje, Národní nadací pro přírodní vědy a strategickým pilotním projektem (kategorie B) Čínské akademie věd.
OBR. 1.a. Pravidlo výběru chirality pro Weylovy body s kladným znaménkem chirality (χ=+1) v kruhově polarizovaném světle; Selektivní excitace v důsledku atomové orbitální symetrie ve Weylově bodě b. χ=+1 v online polarizovaném světle
OBR. 2. Schéma atomové struktury a, Td-WTe2; b. Pásová struktura v blízkosti Fermiho povrchu; (c) Pásová struktura a relativní příspěvky atomových orbitalů rozložených podél vysoce symetrických čar v Brillouinově oblasti, šipky (1) a (2) představují excitaci v blízkosti, respektive daleko od Weylových bodů; d. Zesílení pásové struktury ve směru Gamma-X
OBR. 3.ab: Je znázorněn relativní pohyb mezivrstvy lineárně polarizovaného světla ve směru polarizace podél osy A a osy B krystalu a odpovídající režim pohybu; C. Srovnání teoretické simulace a experimentálního pozorování; de: Vývoj symetrie systému a poloha, počet a stupeň oddělení dvou nejbližších Weylových bodů v rovině kz=0
Obr. 4. Fototopologický fázový přechod v Td-WTe2 pro fázový diagram závislý na energii fotonů lineárně polarizovaného světla (?) ω) a směru polarizace (θ).
Čas zveřejnění: 25. září 2023