Avanceuse no estudo do movemento ultrarrápido das cuasipartículas de Weil controladas por láseres

Progresouse no estudo do movemento ultrarrápido das cuasipartículas de Weil controladas porláseres

Nos últimos anos, a investigación teórica e experimental sobre estados cuánticos topolóxicos e materiais cuánticos topolóxicos converteuse nun tema candente no campo da física da materia condensada.Como un novo concepto de clasificación da materia, a orde topolóxica, como 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 cuántica 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 luminosa pódese usar para distinguir entre diferentes interaccións e manipular o estado da materia, e entón 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 luminoso e a súa estrutura atómica microscópica e propiedades electrónicas converteuse nun obxectivo da investigación.

O comportamento da resposta fotoeléctrica dos materiais topolóxicos está intimamente relacionado coa súa estrutura electrónica microscópica.Para semimetais topolóxicos, a excitación da portadora 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 poidan ser utilizados na fabricación dedispositivos ópticose o deseño de células solares, proporcionando potenciais aplicacións prácticas no futuro.Por exemplo, nun semimetal de Weyl, a absorción dun fotón de luz polarizada circularmente fará que o xiro cambie, e para cumprir coa conservación do momento angular, a excitación electrónica a ambos os dous lados do cono de Weyl estará distribuída de forma asimétrica ao longo a dirección da propagación da luz polarizada circularmente, 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 da información dinámica en tempo real dos portadores excitados no espazo do 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 luminoso forte.A simulación de dinámica molecular funcional da densidade dependente do tempo (TDDFT-MD) baseada nos primeiros principios pode resolver os problemas anteriores.

Recentemente, baixo a dirección da investigadora Meng Sheng, o investigador posdoutoral Guan Mengxue e o estudante de doutoramento Wang En do Grupo SF10 do Laboratorio Estatal de Física de Superficie do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciencias/Centro Nacional de Investigación de Materia Concentrada de Pequín Física, en colaboración co profesor Sun Jiatao do Instituto Tecnolóxico de Pequín, utilizaron o software de simulación de dinámica de estados excitados de desenvolvemento propio TDAP.Investíganse as características de resposta da excitación de cuastipículas ao láser ultrarrápido no segundo tipo de WTe2 semimetálico Weyl.

Demostrouse que a excitación selectiva dos portadores preto do punto de Weyl está determinada pola simetría orbital atómica e pola regra de selección de transición, que é diferente da regra habitual de selección de espín para a excitación quiral, e o seu camiño de excitación pódese controlar cambiando a dirección de polarización. de luz polarizada linealmente e enerxía fotón (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 do momento, dependen moito da simetría do sistema (Figura 3), a excitación asimétrica dos portadores provocará un comportamento diferente de Weyl. cuasipartículas no espazo do momento e os correspondentes cambios nas propiedades topolóxicas do sistema.Así, o estudo proporciona un diagrama de fase claro para as transicións de fase fototopolóxicas (Figura 4).

Os resultados mostran que se debe prestar atención á quiralidade da excitación do portador preto do punto Weyl e analizar as propiedades orbitais atómicas 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 profundamente as interaccións complexas e os comportamentos dinámicos a nivel atómico e electrónico nunha escala de tempo súper 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, 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 debida á simetría do orbital atómico 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 bandas preto da superficie de Fermi;(c) Estrutura de bandas e contribucións relativas dos orbitais atómicos distribuídos ao longo de liñas simétricas altas 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: 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 está ilustrado;C. Comparación entre simulación teórica e 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. Transición de fase fototopolóxica en Td-WTe2 para o diagrama de fase dependente da enerxía de fotóns da luz polarizada linealmente (?) ω) e da dirección de polarización (θ)