Avanzouse no estudo do movemento ultraláseres
Nos últimos anos, a investigación teórica e experimental sobre estados cuánticos topolóxicos e materiais cuánticos topolóxicos converteuse nun tema candente no campo da física de materia condensada. Como novo concepto de clasificación de materias, a orde topolóxica, como a simetría, é un concepto fundamental na física de materia condensada. Unha comprensión profunda da topoloxía está relacionada cos problemas básicos na física de materia condensada, como a estrutura electrónica básica deFases cuánticas, transicións en fase cuántica e excitación de moitos elementos inmobilizados en fases cuánticas. En materiais topolóxicos, o acoplamiento entre moitos graos de liberdade, como electróns, fonóns e xiro, xoga un papel decisivo na comprensión e regulación das propiedades dos materiais. Pódese obter a excitación lixeira para distinguir entre diferentes interaccións e manipular o estado da materia e pódense obter información sobre as propiedades físicas básicas do material, as transicións de fase estrutural e os novos estados cuánticos. Na actualidade, a relación entre o comportamento macroscópico de materiais topolóxicos impulsados polo campo lixeiro e a súa estrutura atómica microscópica e as propiedades electrónicas converteuse nun obxectivo de investigación.
O comportamento de resposta fotoeléctrica dos materiais topolóxicos está estreitamente relacionado coa súa estrutura electrónica microscópica. Para os semifaltos topolóxicos, a excitación do portador preto da intersección da banda é altamente sensible ás características da función de onda do sistema. O estudo de fenómenos ópticos non lineais en semifaltos topolóxicos pode axudarnos a comprender mellor as propiedades físicas dos estados excitados do sistema, e espérase que estes efectos poidan usarse na fabricación deDispositivos ópticose o deseño de células solares, proporcionando aplicacións prácticas potenciais no futuro. Por exemplo, nun semi-metal de Weyl, absorbendo un fotón de luz polarizada circularmente fará que o xiro se volva e, co fin de cumprir a conservación do momento angular, a excitación de electróns a ambos os dous lados do cono Weyl será distribuída asimétricamente ao longo da dirección da dirección polarizada circularmente, que se chama o dominio chiral (figura 1).
O estudo teórico de fenómenos ópticos non lineais de materiais topolóxicos adoita adoptar o método de combinar o cálculo das propiedades do estado terrestre material e a análise de simetría. Non obstante, este método ten algúns defectos: carece da información dinámica en tempo real de transportistas excitados no espazo de impulso e no espazo real, e non pode establecer unha comparación directa co método de detección experimental resolto no tempo. Non se pode considerar o acoplamiento entre os electróns e os fotóns. E isto é crucial para que se produzan certas transicións de fase. Ademais, esta análise teórica baseada na teoría da perturbación non pode tratar os procesos físicos baixo o campo de luz forte. A simulación de dinámica molecular funcional de densidade dependente do tempo (TDDFT-MD) baseada en primeiros principios pode resolver os problemas anteriores.
Recentemente, baixo a dirección do investigador Meng Sheng, o investigador postdoctoral Guan Mengxue e o doutoral estudante Wang EN do grupo SF10 do laboratorio estatal clave de física superficial do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciencias/Beijing National Institute for Technology. Software de simulación TDAP. Investícanse as características de resposta da excitación de quastipartículas ao láser ultra-montado no segundo tipo de WTE2 semi-metal WEYL.
Demostrouse que a excitación selectiva de transportistas próximos ao punto de Weyl está determinada por simetría orbital atómica e regra de selección de transición, que é diferente da regra habitual de selección de spin para a excitación quiral, e a súa ruta de excitación pode controlarse cambiando a dirección de polarización de enerxía linealmente polarizada e enerxía fotón (Fig. 2).
A excitación asimétrica de transportistas induce fotocorrentes en diferentes direccións no espazo real, o que afecta á dirección e simetría do deslizamento do sistema. Dado que as propiedades topolóxicas de WTE2, como o número de puntos de Weyl e o grao de separación no espazo de impulso, dependen moi da simetría do sistema (figura 3), a excitación asimétrica de transportistas provocará un comportamento diferente de quastipartículas no momento e os correspondentes cambios nas propiedades topolóxicas do sistema. Así, o estudo proporciona un diagrama de fase clara para as transicións de fase fototopolóxica (Figura 4).
Os resultados mostran que se debe prestar atención á quiralidade da excitación do transportista preto do punto de Weyl e as propiedades orbitais atómicas da función de onda deberían analizarse. Os efectos dos dous son similares, pero o mecanismo é obviamente diferente, o que proporciona unha base teórica para explicar a singularidade dos puntos de Weyl. Ademais, o método computacional adoptado neste estudo pode comprender profundamente as interaccións complexas e os comportamentos dinámicos a niveis atómicos e electrónicos nunha escala de tempo moi rápida, revelar os seus mecanismos microfísicos e espérase que sexa unha poderosa ferramenta para futuras investigacións sobre fenómenos ópticos non lineais en materiais topolóxicos.
Os resultados están na revista Nature Communications. O traballo de investigación está apoiado polo Plan Nacional de Investigación e Desenvolvemento clave, a Fundación Nacional de Ciencias Naturais e o Proxecto Piloto Estratéxico (Categoría B) da Academia Chinesa de Ciencias.
Fig.1.A. A regra de selección de quiralidade para puntos de Weyl con signo de quiralidade positiva (χ =+1) baixo luz polarizada circularmente; Excitación selectiva debido á simetría orbital atómica no punto de Weyl de B. χ =+1 en luz polarizada en liña
Fig. 2. Diagrama de estrutura atómica de A, TD-WTE2; b. Estrutura de banda preto da superficie de Fermi; (c) estrutura de banda e contribucións relativas de orbitais atómicos distribuídos por altas liñas simétricas na rexión de Brillouin, as frechas (1) e (2) representan a excitación preto ou lonxe dos puntos de Weyl, respectivamente; d. Amplificación da estrutura de banda ao longo da dirección gamma-x
Fig.3.Ab: O movemento relativo de intercambiador da dirección de polarización de luz polarizada linealmente ao longo do eixe A e do eixe B do cristal, e o modo de movemento correspondente está ilustrado; C. Comparación entre simulación teórica e observación experimental; DE: evolución da simetría do sistema e da posición, número e grao de separación dos dous puntos máis próximos no plano KZ = 0
Fig. 4. Transición de fase fototopolóxica en TD-WTE2 para enerxía fotónica de luz polarizada linealmente (?) Ω) e diagrama de fase dependente da dirección de polarización (θ)
Tempo de publicación: 25-2023 de setembro