Vordering is gemaak in die studie van ultrasnelle beweging van Weil-kwasideeltjies wat beheer word deurlasers
In onlangse jare het die teoretiese en eksperimentele navorsing oor topologiese kwantumtoestande en topologiese kwantummateriale 'n warm onderwerp geword in die veld van gekondenseerde materie-fisika. As 'n nuwe konsep van materie-klassifikasie, is topologiese orde, soos simmetrie, 'n fundamentele konsep in gekondenseerde materie-fisika. 'n Diepgaande begrip van topologie hou verband met die basiese probleme in gekondenseerde materie-fisika, soos die basiese elektroniese struktuur vankwantumfases, kwantumfase-oorgange en opwekking van baie geïmmobiliseerde elemente in kwantumfases. In topologiese materiale speel die koppeling tussen baie vryheidsgrade, soos elektrone, fonone en spin, 'n beslissende rol in die begrip en regulering van materiaaleienskappe. Ligopwekking kan gebruik word om tussen verskillende interaksies te onderskei en die toestand van materie te manipuleer, en inligting oor die materiaal se basiese fisiese eienskappe, strukturele fase-oorgange en nuwe kwantumtoestande kan dan verkry word. Tans het die verband tussen makroskopiese gedrag van topologiese materiale wat deur 'n ligveld aangedryf word en hul mikroskopiese atoomstruktuur en elektroniese eienskappe 'n navorsingsdoelwit geword.
Die fotoëlektriese reaksiegedrag van topologiese materiale is nou verwant aan sy mikroskopiese elektroniese struktuur. Vir topologiese halfmetale is die draer-opwekking naby die bandkruising hoogs sensitief vir die golffunksie-eienskappe van die stelsel. Die studie van nie-lineêre optiese verskynsels in topologiese halfmetale kan ons help om die fisiese eienskappe van die opgewekte toestande van die stelsel beter te verstaan, en daar word verwag dat hierdie effekte gebruik kan word in die vervaardiging vanoptiese toestelleen die ontwerp van sonselle, wat potensiële praktiese toepassings in die toekoms bied. Byvoorbeeld, in 'n Weyl-halfmetaal sal die absorpsie van 'n foton van sirkelvormig gepolariseerde lig veroorsaak dat die spin omslaan, en om aan die behoud van hoekmomentum te voldoen, sal die elektronopwekking aan beide kante van die Weyl-keël asimmetries versprei wees langs die rigting van die sirkelvormig gepolariseerde ligvoortplanting, wat die chirale seleksiereël genoem word (Figuur 1).
Die teoretiese studie van nie-lineêre optiese verskynsels van topologiese materiale gebruik gewoonlik die metode om die berekening van materiaal se grondtoestandseienskappe en simmetrie-analise te kombineer. Hierdie metode het egter 'n paar tekortkominge: dit het nie die intydse dinamiese inligting van opgewekte draers in momentumruimte en werklike ruimte nie, en dit kan nie 'n direkte vergelyking met die tydopgeloste eksperimentele deteksiemetode tref nie. Die koppeling tussen elektron-fonone en foton-fonone kan nie in ag geneem word nie. En dit is van kritieke belang vir sekere fase-oorgange om plaas te vind. Boonop kan hierdie teoretiese analise gebaseer op perturbasieteorie nie die fisiese prosesse onder die sterk ligveld hanteer nie. Die tydafhanklike digtheidsfunksionele molekulêre dinamika (TDDFT-MD) simulasie gebaseer op eerste beginsels kan die bogenoemde probleme oplos.
Onlangs, onder leiding van navorser Meng Sheng, postdoktorale navorser Guan Mengxue en doktorale student Wang En van die SF10-groep van die Staatssleutellaboratorium vir Oppervlakfisika van die Instituut vir Fisika van die Chinese Akademie vir Wetenskappe/Beijing Nasionale Navorsingsentrum vir Gekonsentreerde Materiefisika, in samewerking met professor Sun Jiatao van die Beijing Instituut vir Tegnologie, het hulle die selfontwikkelde opgewekte toestandsdinamika-simulasiesagteware TDAP gebruik. Die reaksie-eienskappe van kwastideeltjie-opwekking tot ultrasnelle laser in die tweede soort Weyl-halfmetaal WTe2 word ondersoek.
Daar is aangetoon dat die selektiewe opwekking van draers naby die Weyl-punt bepaal word deur atoomorbitaalsimmetrie en oorgangseleksiereël, wat verskil van die gewone spin-seleksiereël vir chirale opwekking, en die opwekkingspad daarvan kan beheer word deur die polarisasierigting van lineêr gepolariseerde lig en fotonenergie te verander (FIG. 2).
Die asimmetriese opwekking van draers veroorsaak fotostrome in verskillende rigtings in die werklike ruimte, wat die rigting en simmetrie van die tussenlaag-gly van die stelsel beïnvloed. Aangesien die topologiese eienskappe van WTe2, soos die aantal Weyl-punte en die mate van skeiding in die momentumruimte, hoogs afhanklik is van die simmetrie van die stelsel (Figuur 3), sal die asimmetriese opwekking van draers verskillende gedrag van Weyl-kwastideeltjies in die momentumruimte en ooreenstemmende veranderinge in die topologiese eienskappe van die stelsel teweegbring. Dus bied die studie 'n duidelike fasediagram vir fototopologiese fase-oorgange (Figuur 4).
Die resultate toon dat die chiraliteit van draer-opwekking naby die Weyl-punt aandag moet kry, en die atoomorbitale eienskappe van die golffunksie moet geanaliseer word. Die effekte van die twee is soortgelyk, maar die meganisme is duidelik verskillend, wat 'n teoretiese basis bied om die singulariteit van Weyl-punte te verduidelik. Daarbenewens kan die berekeningsmetode wat in hierdie studie gebruik word, die komplekse interaksies en dinamiese gedrag op atoom- en elektroniese vlakke in 'n supersnelle tydskaal diep verstaan, hul mikrofisiese meganismes openbaar, en word verwag om 'n kragtige instrument te wees vir toekomstige navorsing oor nie-lineêre optiese verskynsels in topologiese materiale.
Die resultate is in die tydskrif Nature Communications. Die navorsingswerk word ondersteun deur die Nasionale Sleutelnavorsing- en Ontwikkelingsplan, die Nasionale Natuurwetenskapstigting en die Strategiese Loodsprojek (Kategorie B) van die Chinese Akademie vir Wetenskappe.
FIG.1.a. Die chiraliteitseleksiereël vir Weyl-punte met positiewe chiraliteitsteken (χ=+1) onder sirkelvormig gepolariseerde lig; Selektiewe opwekking as gevolg van atoomorbitaalsimmetrie by die Weyl-punt van b. χ=+1 in aanlyn gepolariseerde lig
FIG. 2. Atoomstruktuurdiagram van a, Td-WTe2; b. Bandstruktuur naby die Fermi-oppervlak; (c) Bandstruktuur en relatiewe bydraes van atoomorbitale versprei langs hoë simmetriese lyne in die Brillouin-streek, pyle (1) en (2) verteenwoordig onderskeidelik opwekking naby of ver van Weyl-punte; d. Versterking van bandstruktuur langs die Gamma-X-rigting
FIG.3.ab: Die relatiewe tussenlaagbeweging van lineêr gepolariseerde ligpolarisasierigting langs die A-as en B-as van die kristal, en die ooreenstemmende bewegingsmodus word geïllustreer; C. Vergelyking tussen teoretiese simulasie en eksperimentele waarneming; de: Simmetrie-evolusie van die stelsel en die posisie, aantal en graad van skeiding van die twee naaste Weyl-punte in die kz=0-vlak
FIG. 4. Fototopologiese fase-oorgang in Td-WTe2 vir lineêr gepolariseerde ligfotonenergie (?) ω) en polarisasierigting (θ) afhanklike fasediagram
Plasingstyd: 25 September 2023