Fixéronse progresos no estudo do movemento ultrarrápido de cuasipartículas de Weil controladas porláseres
Nos últimos anos, a investigación teórica e experimental sobre os estados cuánticos topolóxicos e os materiais cuánticos topolóxicos converteuse nun tema candente no campo da física da materia condensada. Como novo concepto de clasificación da materia, a orde topolóxica, do mesmo xeito que a simetría, é un concepto fundamental na física da materia condensada. Unha comprensión profunda da topoloxía está relacionada cos problemas básicos da física da materia condensada, como a estrutura electrónica básica defases cuánticas, transicións de fase cuánticas e excitación de moitos elementos inmobilizados en fases cuánticas. Nos materiais topolóxicos, o acoplamento entre moitos graos de liberdade, como electróns, fonóns e espín, xoga un papel decisivo na comprensión e regulación das propiedades dos materiais. A excitación da luz pódese usar para distinguir entre diferentes interaccións e manipular o estado da materia, e pódese obter información sobre as propiedades físicas básicas do material, as transicións de fase estruturais e os novos estados cuánticos. Na actualidade, a relación entre o comportamento macroscópico dos materiais topolóxicos impulsados polo campo de luz e a súa estrutura atómica microscópica e as súas propiedades electrónicas converteuse nun obxectivo de investigación.
O comportamento da resposta fotoeléctrica dos materiais topolóxicos está estreitamente relacionado coa súa estrutura electrónica microscópica. Para os semimetais topolóxicos, a excitación do portador preto da intersección da banda é moi sensible ás características da función de onda do sistema. O estudo dos fenómenos ópticos non lineais en semimetais topolóxicos pode axudarnos a comprender mellor as propiedades físicas dos estados excitados do sistema, e espérase que estes efectos se poidan empregar na fabricación dedispositivos ópticose o deseño de células solares, o que proporciona posibles aplicacións prácticas no futuro. Por exemplo, nun semimetal de Weyl, a absorción dun fotón de luz polarizada circularmente provocará que o espín se inverta e, para cumprir coa conservación do momento angular, a excitación de electróns a ambos os dous lados do cono de Weyl distribuirase asimetricamente ao longo da dirección de propagación da luz polarizada circularmente, o que se denomina regra de selección quiral (Figura 1).
O estudo teórico dos fenómenos ópticos non lineais dos materiais topolóxicos adoita adoptar o método de combinar o cálculo das propiedades do estado fundamental do material e a análise de simetría. Non obstante, este método ten algúns defectos: carece de información dinámica en tempo real dos portadores excitados no espazo de momento e no espazo real, e non pode establecer unha comparación directa co método de detección experimental resolto no tempo. Non se pode considerar o acoplamento entre electrón-fonóns e fotón-fonóns. 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 da dinámica molecular funcional da densidade dependente do tempo (TDDFT-MD) baseada en primeiros principios pode resolver os problemas anteriores.
Recentemente, baixo a dirección da investigadora Meng Sheng, a investigadora posdoutoral Guan Mengxue e a estudante de doutoramento Wang En do Grupo SF10 do Laboratorio Estatal Clave de Física de Superficies do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciencias/Centro Nacional de Investigación de Física da Materia Concentrada de Pequín, en colaboración co profesor Sun Jiatao do Instituto Tecnolóxico de Pequín, empregaron o software de simulación de dinámica de estados excitados TDAP, de desenvolvemento propio. Investigáronse as características de resposta da excitación de cuastipartículas a láser ultrarrápido no segundo tipo de semimetal de Weyl WTe2.
Demostrouse que a excitación selectiva dos portadores preto do punto de Weyl está determinada pola simetría orbital atómica e a regra de selección de transición, que é diferente da regra de selección de espín habitual para a excitación quiral, e a súa ruta de excitación pode controlarse cambiando a dirección de polarización da luz polarizada linealmente e a enerxía dos fotóns (FIG. 2).
A excitación asimétrica dos portadores induce fotocorrentes en diferentes direccións no espazo real, o que afecta á dirección e á simetría do deslizamento entre capas do sistema. Dado que as propiedades topolóxicas do WTe2, como o número de puntos de Weyl e o grao de separación no espazo de momento, dependen en gran medida da simetría do sistema (Figura 3), a excitación asimétrica dos portadores provocará un comportamento diferente das cuastopartículas de Weyl no espazo de momento e os cambios correspondentes nas propiedades topolóxicas do sistema. Polo tanto, o estudo proporciona un diagrama de fases claro para as transicións de fase fototopolóxicas (Figura 4).
Os resultados amosan que se debe prestar atención á quiralidade da excitación do portador preto do punto de Weyl e analizar as propiedades dos orbitais atómicos da función de onda. 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 en profundidade as complexas interaccións e os comportamentos dinámicos a nivel atómico e electrónico nunha escala de tempo ultrarrápida, revelar os seus mecanismos microfísicos e espérase que sexa unha ferramenta poderosa para futuras investigacións sobre fenómenos ópticos non lineais en materiais topolóxicos.
Os resultados publícanse na revista Nature Communications. O traballo de investigación conta co apoio do Plan Nacional Clave de Investigación e Desenvolvemento, da Fundación Nacional de Ciencias Naturais e do Proxecto Piloto Estratéxico (Categoría B) da Academia Chinesa das Ciencias.
FIG.1.a. A regra de selección de quiralidade para puntos de Weyl con signo de quiralidade positivo (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 da estrutura atómica de a, Td-WTe2; b. Estrutura de bandas preto da superficie de Fermi; (c) Estrutura de bandas e contribucións relativas dos orbitais atómicos distribuídos ao longo de liñas de alta simetría 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 bandas ao longo da dirección Gamma-X
FIG.3.ab: Ilústrase o movemento relativo entre capas da dirección de polarización da luz polarizada linealmente ao longo do eixe A e do eixe B do cristal, e o modo de movemento correspondente; C. Comparación entre a simulación teórica e a observación experimental; de: Evolución da simetría do sistema e a posición, número e grao de separación dos dous puntos de Weyl máis próximos no plano kz=0
FIG. 4. Diagrama de fases dependente da enerxía fotónica de luz polarizada linealmente (?) ω) e da dirección de polarización (θ).
Data de publicación: 25 de setembro de 2023