Pokroku bylo dosaženo ve studiu ultrarychlého pohybu Weilových kvazičástic řízenýchlasery
Teoretický a experimentální výzkum topologických kvantových stavů a topologických kvantových materiálů se v posledních letech stal horkým tématem na poli fyziky kondenzovaných látek.Jako nový koncept klasifikace hmoty je topologické uspořádání, stejně jako symetrie, základní koncept ve fyzice kondenzovaných látek.Hluboké porozumění topologii souvisí se základními problémy ve fyzice 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.K rozlišení různých interakcí a manipulaci se stavem hmoty lze použít světelnou excitaci a lze pak získat informace o základních fyzikálních vlastnostech materiálu, strukturálních fázových přechodech a nových kvantových stavech.V současnosti se výzkumným cílem stal vztah mezi makroskopickým chováním topologických materiálů řízených světelným polem a jejich mikroskopickou atomovou strukturou a elektronickými vlastnostmi.
Chování fotoelektrické odezvy topologických materiálů úzce souvisí s jejich mikroskopickou elektronovou strukturou.U topologických polokovů je excitace nosné v blízkosti průsečíku pásem vysoce citlivá na charakteristiky vlnové funkce systému.Studium nelineárních optických jevů v topologických polokovech nám může pomoci lépe porozumět fyzikálním vlastnostem excitovaných stavů soustavy a očekává se, že tyto jevy lze využít při výroběoptická zařízenía design solárních článků, které poskytují potenciální praktické aplikace v budoucnosti.Například u Weylova polokovu způsobí pohlcení fotonu kruhově polarizovaného světla překlopení rotace, a aby bylo dosaženo zachování momentu hybnosti, bude excitace elektronů na obou stranách Weylova kužele rozložena asymetricky podél směr šíření kruhově polarizovaného světla, který se nazývá pravidlo chirální selekce (obrázek 1).
Teoretické studium nelineárních optických jevů topologických materiálů obvykle využívá metodu kombinace výpočtu vlastností základního stavu materiálu a analýzy symetrie.Tato metoda má však některé nedostatky: postrádá dynamické informace v reálném čase o excitovaných nosičích v prostoru hybnosti a reálném prostoru a nelze ji přímo srovnat s časově rozlišenou experimentální detekční metodou.Spojení mezi elektron-fonony a foton-fonony nelze uvažovat.A to je zásadní pro to, aby došlo k určitým fázovým přechodům.Navíc se tato teoretická analýza založená na poruchové teorii nemůže zabývat fyzikálními procesy v silném světelném poli.Výše uvedené problémy může vyřešit simulace časově závislé hustoty funkční molekulové dynamiky (TDDFT-MD) založená na prvních principech.
Nedávno, pod vedením výzkumnice Meng Sheng, postdoktorandské výzkumnice Guan Mengxue a doktorandky Wang En ze skupiny SF10 Státní klíčové laboratoře povrchové fyziky Ústavu fyziky Čínské akademie věd/Pekingského národního výzkumného centra pro koncentrovanou hmotu Fyzika, ve spolupráci s profesorem Sun Jiatao z Pekingského technologického institutu, použili samostatně vyvinutý software pro simulaci dynamiky excitovaného stavu TDAP.Jsou zkoumány charakteristiky odezvy excitace kvadstičástic na ultrarychlý laser u druhého druhu Weylova polokovu WTe2.
Ukázalo se, že selektivní excitace nosičů v blízkosti Weylova bodu je určena atomovou orbitální symetrií a pravidlem pro výběr přechodu, které se liší od obvyklého pravidla spinové selekce pro chirální excitaci a jeho excitační dráhu lze řídit změnou směru polarizace. lineárně polarizovaného světla a energie fotonů (obr. 2).
Asymetrické buzení nosičů indukuje v reálném prostoru fotoproudy v různých směrech, což ovlivňuje směr a symetrii mezivrstvového skluzu systému.Protože topologické vlastnosti WTe2, jako je počet Weylových bodů a stupeň separace v prostoru hybnosti, jsou vysoce závislé na symetrii systému (obrázek 3), asymetrické buzení nosičů způsobí odlišné chování Weyl kvastičástice v prostoru hybnosti a odpovídající změny v topologických vlastnostech systému.Studie tedy poskytuje jasný fázový diagram pro fototopologické fázové přechody (obrázek 4).
Výsledky ukazují, že je třeba věnovat pozornost chiralitě excitace nosiče poblíž Weylova bodu a analyzovat atomové orbitální vlastnosti vlnové funkce.Účinky těchto dvou jsou podobné, ale mechanismus je zjevně odlišný, což poskytuje teoretický základ pro vysvětlení singularity Weylových bodů.Kromě toho může výpočetní metoda přijatá v této studii 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 mocným nástrojem pro budoucí výzkum nelineární optické jevy v topologických materiálech.
Výsledky jsou 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.l.a.Pravidlo výběru chirality pro Weylovy body s kladným znaménkem chirality (χ=+1) pod kruhově polarizovaným světlem;Selektivní excitace v důsledku atomové orbitální symetrie ve Weylově bodě b.χ=+1 v on-line polarizovaném světle
OBR.2. Schéma atomové struktury a, Td-WTe2;b.Struktura pásu blízko povrchu Fermi;(c) Struktura pásu a relativní příspěvky atomových orbitalů rozmístěných podél vysokých symetrických čar v Brillouinově oblasti, šipky (1) a (2) představují excitaci blízko nebo daleko od Weylových bodů, v daném pořadí;d.Zesílení pásové struktury ve směru Gamma-X
OBR.3.ab: Je znázorněn relativní pohyb mezivrstvy ve směru polarizace lineárně polarizovaného světla podél osy A a osy B krystalu a odpovídající režim pohybu;C. Porovnání 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 lineárně polarizovanou energii fotonu světla (?) ω) a fázový diagram závislý na směru polarizace (θ)
Čas odeslání: 25. září 2023