S'ha avançat en l'estudi del moviment ultraràpid de les quasipartícules de Weil controlades per làsers

S'ha avançat en l'estudi del moviment ultraràpid de les quasipartícules de Weil controlades perlàsers

En els últims anys, la investigació teòrica i experimental sobre estats quàntics topològics i 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 quàntica i excitació de molts elements immobilitzats en fases quàntiques. En materials topològics, l'acoblament entre molts graus de llibertat, com electrons, fonons i espín, té un paper decisiu en la comprensió i la regulació de les propietats dels materials. L'excitació lumínica es pot utilitzar per distingir entre diferents interaccions i manipular l'estat de la matèria, i llavors 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 propietats electròniques s'ha convertit en un objectiu de la investigació.

El comportament de resposta fotoelèctrica dels materials topològics està estretament relacionat amb la seva estructura electrònica microscòpica. Per als semimetalls topològics, l'excitació de la portadora prop de la intersecció de la banda és molt 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 entendre 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, proporcionant possibles aplicacions pràctiques en el futur. Per exemple, en un semimetall Weyl, l'absorció d'un fotó de llum polaritzada circularment farà que l'espín es giri i, per tal de complir la conservació del moment angular, l'excitació d'electrons a banda i banda del con Weyl es distribuirà de manera asimètrica al llarg la direcció de la propagació de la llum polaritzada circularment, 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. No obstant això, aquest mètode té alguns defectes: no té la informació dinàmica en temps real dels portadors excitats a l'espai d'impuls 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 determinades transicions de fase. A més, aquesta anàlisi teòrica basada en la teoria de la pertorbació no pot tractar els processos físics sota el camp de llum fort. La simulació de dinàmica molecular funcional de densitat dependent del temps (TDDFT-MD) basada en els primers principis pot resoldre els problemes anteriors.

Recentment, sota la direcció de l'investigador Meng Sheng, l'investigador 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 Ciències/Centre Nacional de Recerca de Matèria Concentrada de Pequín Física, en col·laboració amb el professor Sun Jiatao de l'Institut Tecnològic de Pequín, van utilitzar el programari de simulació de dinàmiques d'estat excitat desenvolupat per ells mateixos TDAP. S'investiguen les característiques de resposta de l'excitació de quasipartícules al làser ultraràpid en el segon tipus de WTe2 semimetall Weyl.

S'ha demostrat que l'excitació selectiva dels portadors a 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 habitual de selecció de spin per a l'excitació quiral, i el seu camí d'excitació es pot controlar canviant la direcció de polarització. de llum polaritzada linealment i energia fotònica (FIG. 2).

L'excitació asimètrica dels portadors indueix fotocorrents en diferents direccions a l'espai real, la qual cosa afecta la direcció i la simetria del lliscament entre capes del sistema. Com que les propietats topològiques de WTe2, com ara el nombre de punts de Weyl i el grau de separació a l'espai del moment, depenen molt de la simetria del sistema (figura 3), l'excitació asimètrica dels portadors provocarà un comportament diferent de Weyl. quastipartícules a l'espai del moment i els corresponents canvis 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 s'ha de prestar atenció a la quiralitat de l'excitació del portador prop del punt Weyl i s'han d'analitzar les propietats orbitals atòmiques de la funció d'ona. Els efectes dels dos són semblants però el mecanisme és òbviament diferent, la qual cosa proporciona una base teòrica per explicar la singularitat dels punts de Weyl. A més, el mètode computacional adoptat en aquest estudi pot entendre profundament les interaccions complexes i els comportaments dinàmics a nivell atòmic i electrònic en una escala de temps súper ràpida, revelar els seus mecanismes microfísics i s'espera que sigui una eina poderosa per a futures investigacions sobre Fenòmens òptics no lineals en materials topològics.

Els resultats es troben a la revista Nature Communications. El treball de recerca compta amb el suport del Pla Nacional de Recerca i Desenvolupament Clau, la Fundació Nacional de Ciències Naturals i el Projecte Pilot Estratègic (Categoria B) de l'Acadèmia Xinesa de Ciències.

FIG.1.a. La regla de selecció de quiralitat per als 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 d'estructura atòmica d'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 simètriques altes 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 la banda al llarg de la direcció Gamma-X

FIG.3.ab: 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 s'il·lustra el mode de moviment corresponent; C. Comparació entre simulació teòrica i observació experimental; de: Evolució de la simetria del sistema i la posició, nombre i grau de separació dels dos punts de Weyl més propers en el pla kz=0

FIG. 4. Transició de fase fototopològica en Td-WTe2 per a l'energia fotònica de la llum polaritzada linealment (?) ω) i el diagrama de fases de la direcció de polarització (θ)