S'han fet progressos en l'estudi del moviment ultraràpid de quasipartícules de Weil controlades perlàsers
En els darrers anys, la recerca teòrica i experimental sobre els estats quàntics topològics i els materials quàntics topològics s'ha convertit en un tema candent en el camp de la física de la matèria condensada. Com a nou concepte de classificació de la matèria, l'ordre topològic, com la simetria, és un concepte fonamental en la física de la matèria condensada. Una comprensió profunda de la topologia està relacionada amb els problemes bàsics de la física de la matèria condensada, com ara l'estructura electrònica bàsica defases quàntiques, transicions de fase quàntiques i excitació de molts elements immobilitzats en fases quàntiques. En els materials topològics, l'acoblament entre molts graus de llibertat, com ara electrons, fonons i espín, juga un paper decisiu en la comprensió i la regulació de les propietats dels materials. L'excitació de la llum es pot utilitzar per distingir entre diferents interaccions i manipular l'estat de la matèria, i es pot obtenir informació sobre les propietats físiques bàsiques del material, les transicions de fase estructurals i els nous estats quàntics. Actualment, la relació entre el comportament macroscòpic dels materials topològics impulsats pel camp de llum i la seva estructura atòmica microscòpica i les seves propietats electròniques s'ha convertit en un objectiu de recerca.
El comportament de resposta fotoelèctrica dels materials topològics està estretament relacionat amb la seva estructura electrònica microscòpica. Per als semimetalls topològics, l'excitació del portador prop de la intersecció de la banda és altament sensible a les característiques de la funció d'ona del sistema. L'estudi dels fenòmens òptics no lineals en semimetalls topològics ens pot ajudar a comprendre millor les propietats físiques dels estats excitats del sistema, i s'espera que aquests efectes es puguin utilitzar en la fabricació dedispositius òpticsi el disseny de cèl·lules solars, que ofereixen possibles aplicacions pràctiques en el futur. Per exemple, en un semimetall de Weyl, l'absorció d'un fotó de llum polaritzada circularment farà que l'espín s'inverteixi i, per tal de complir amb la conservació del moment angular, l'excitació d'electrons a banda i banda del con de Weyl es distribuirà asimètricament al llarg de la direcció de propagació de la llum polaritzada circularment, cosa que s'anomena regla de selecció quiral (Figura 1).
L'estudi teòric dels fenòmens òptics no lineals dels materials topològics sol adoptar el mètode de combinar el càlcul de les propietats de l'estat fonamental del material i l'anàlisi de simetria. Tanmateix, aquest mètode té alguns defectes: no disposa d'informació dinàmica en temps real dels portadors excitats a l'espai de moment i a l'espai real, i no pot establir una comparació directa amb el mètode de detecció experimental resolt en el temps. No es pot considerar l'acoblament entre electró-fonons i fotó-fonons. I això és crucial perquè es produeixin certes transicions de fase. A més, aquesta anàlisi teòrica basada en la teoria de pertorbacions no pot tractar els processos físics sota un camp de llum fort. La simulació de dinàmica molecular funcional de la densitat dependent del temps (TDDFT-MD) basada en els primers principis pot resoldre els problemes anteriors.
Recentment, sota la direcció de la investigadora Meng Sheng, la investigadora postdoctoral Guan Mengxue i l'estudiant de doctorat Wang En del Grup SF10 del Laboratori Estatal Clau de Física de Superfícies de l'Institut de Física de l'Acadèmia Xinesa de les Ciències/Centre Nacional de Recerca de Física de la Matèria Concentrada de Pequín, en col·laboració amb el professor Sun Jiatao de l'Institut Tecnològic de Pequín, van utilitzar el programari de simulació de dinàmica d'estats excitats de desenvolupament propi TDAP. S'investiguen les característiques de resposta de l'excitació de cuastipartícules a làser ultraràpid en el segon tipus de semimetall de Weyl WTe2.
S'ha demostrat que l'excitació selectiva dels portadors prop del punt de Weyl està determinada per la simetria orbital atòmica i la regla de selecció de transició, que és diferent de la regla de selecció d'espín habitual per a l'excitació quiral, i el seu camí d'excitació es pot controlar canviant la direcció de polarització de la llum polaritzada linealment i l'energia fotònica (FIG. 2).
L'excitació asimètrica dels portadors indueix fotocorrents en diferents direccions a l'espai real, cosa que afecta la direcció i la simetria del lliscament entre capes del sistema. Com que les propietats topològiques del WTe2, com ara el nombre de punts de Weyl i el grau de separació a l'espai de moment, depenen en gran mesura de la simetria del sistema (Figura 3), l'excitació asimètrica dels portadors provocarà un comportament diferent de les cuastipàctils de Weyl a l'espai de moment i els canvis corresponents en les propietats topològiques del sistema. Així, l'estudi proporciona un diagrama de fases clar per a les transicions de fase fototopològiques (Figura 4).
Els resultats mostren que cal parar atenció a la quiralitat de l'excitació del portador prop del punt de Weyl i analitzar les propietats dels orbitals atòmics de la funció d'ona. Els efectes dels dos són similars, però el mecanisme és òbviament diferent, cosa que proporciona una base teòrica per explicar la singularitat dels punts de Weyl. A més, el mètode computacional adoptat en aquest estudi pot comprendre en profunditat les interaccions complexes i els comportaments dinàmics a nivell atòmic i electrònic en una escala de temps ultraràpida, revelar els seus mecanismes microfísics i s'espera que sigui una eina potent per a futures investigacions sobre fenòmens òptics no lineals en materials topològics.
Els resultats es publiquen a la revista Nature Communications. El treball de recerca compta amb el suport del Pla Nacional Clau de Recerca i Desenvolupament, la Fundació Nacional de Ciències Naturals i el Projecte Pilot Estratègic (Categoria B) de l'Acadèmia Xinesa de les Ciències.
FIG.1.a. La regla de selecció de quiralitat per a punts de Weyl amb signe de quiralitat positiu (χ=+1) sota llum polaritzada circularment; Excitació selectiva deguda a la simetria orbital atòmica al punt de Weyl de b. χ=+1 en llum polaritzada en línia
FIG. 2. Diagrama de l'estructura atòmica de a, Td-WTe2; b. Estructura de bandes prop de la superfície de Fermi; (c) Estructura de bandes i contribucions relatives dels orbitals atòmics distribuïts al llarg de línies d'alta simetria a la regió de Brillouin, les fletxes (1) i (2) representen l'excitació a prop o lluny dels punts de Weyl, respectivament; d. Amplificació de l'estructura de bandes al llarg de la direcció Gamma-X
FIG.3.ab: S'il·lustra el moviment relatiu entre capes de la direcció de polarització de la llum polaritzada linealment al llarg de l'eix A i l'eix B del cristall, i el mode de moviment corresponent; C. Comparació entre la simulació teòrica i l'observació experimental; de: Evolució de la simetria del sistema i la posició, el nombre i el grau de separació dels dos punts de Weyl més propers en el pla kz=0
FIG. 4. Diagrama de fases dependent de l'energia fotònica (?) ω) i la direcció de polarització (θ) de la llum polaritzada linealment.
Data de publicació: 25 de setembre de 2023