Kemajuan telah dicapai dalam kajian gerakan ultra pantas kuasipartikel Weil yang dikawal oleh laser

Kemajuan telah dicapai dalam kajian gerakan ultra pantas kuasipartikel Weil yang dikawal olehlaser

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan teori dan eksperimen mengenai keadaan kuantum topologi dan bahan kuantum topologi telah menjadi topik hangat dalam bidang fizik jirim terkondensasi. Sebagai konsep baharu pengelasan jirim, susunan topologi, seperti simetri, merupakan konsep asas dalam fizik jirim terkondensasi. Pemahaman yang mendalam tentang topologi berkaitan dengan masalah asas dalam fizik jirim terkondensasi, seperti struktur elektronik asasfasa kuantum, peralihan fasa kuantum dan pengujaan banyak unsur terbiar dalam fasa kuantum. Dalam bahan topologi, gandingan antara banyak darjah kebebasan, seperti elektron, fonon dan spin, memainkan peranan penting dalam memahami dan mengawal selia sifat bahan. Pengujaan cahaya boleh digunakan untuk membezakan antara interaksi yang berbeza dan memanipulasi keadaan jirim, dan maklumat tentang sifat fizikal asas bahan, peralihan fasa struktur dan keadaan kuantum baharu kemudiannya boleh diperolehi. Pada masa ini, hubungan antara tingkah laku makroskopik bahan topologi yang didorong oleh medan cahaya dan struktur atom mikroskopik serta sifat elektroniknya telah menjadi matlamat penyelidikan.

Tingkah laku tindak balas fotoelektrik bahan topologi berkait rapat dengan struktur elektronik mikroskopiknya. Bagi semi-logam topologi, pengujaan pembawa berhampiran persilangan jalur sangat sensitif terhadap ciri-ciri fungsi gelombang sistem. Kajian fenomena optik tak linear dalam semi-logam topologi dapat membantu kita untuk lebih memahami sifat fizikal keadaan teruja sistem, dan dijangkakan bahawa kesan ini dapat digunakan dalam pembuatanperanti optikdan reka bentuk sel suria, yang menyediakan aplikasi praktikal yang berpotensi pada masa hadapan. Contohnya, dalam separa logam Weyl, menyerap foton cahaya terkutub bulat akan menyebabkan putaran berputar, dan untuk memenuhi pemuliharaan momentum sudut, pengujaan elektron pada kedua-dua belah kon Weyl akan diagihkan secara tidak simetri sepanjang arah perambatan cahaya terkutub bulat, yang dipanggil peraturan pemilihan kiral (Rajah 1).

Kajian teori fenomena optik tak linear bahan topologi biasanya menggunakan kaedah menggabungkan pengiraan sifat keadaan dasar bahan dan analisis simetri. Walau bagaimanapun, kaedah ini mempunyai beberapa kecacatan: ia kekurangan maklumat dinamik masa nyata pembawa teruja dalam ruang momentum dan ruang nyata, dan ia tidak dapat mewujudkan perbandingan langsung dengan kaedah pengesanan eksperimen masa-terselesai. Gandingan antara elektron-fonon dan foton-fonon tidak dapat dipertimbangkan. Dan ini penting untuk peralihan fasa tertentu berlaku. Di samping itu, analisis teori berdasarkan teori usikan ini tidak dapat menangani proses fizikal di bawah medan cahaya yang kuat. Simulasi dinamik molekul berfungsi ketumpatan bergantung masa (TDDFT-MD) berdasarkan prinsip pertama dapat menyelesaikan masalah di atas.

Baru-baru ini, di bawah bimbingan penyelidik Meng Sheng, penyelidik pasca doktoral Guan Mengxue dan pelajar kedoktoran Wang En dari Kumpulan SF10 Makmal Utama Negeri Fizik Permukaan Institut Fizik Akademi Sains China/Pusat Penyelidikan Kebangsaan Beijing untuk Fizik Jirim Pekat, dengan kerjasama Profesor Sun Jiatao dari Institut Teknologi Beijing, mereka menggunakan perisian simulasi dinamik keadaan teruja TDAP yang dibangunkan sendiri. Ciri-ciri tindak balas pengujaan kuastipartikel terhadap laser ultrapantas dalam jenis kedua Weyl semi-logam WTe2 telah dikaji.

Telah ditunjukkan bahawa pengujaan terpilih pembawa berhampiran titik Weyl ditentukan oleh simetri orbital atom dan peraturan pemilihan peralihan, yang berbeza daripada peraturan pemilihan spin biasa untuk pengujaan kiral, dan laluan pengujaannya boleh dikawal dengan mengubah arah pengkutuban cahaya terkutub linear dan tenaga foton (Rajah 2).

Pengujaan asimetri pembawa mendorong fotoarus dalam arah yang berbeza dalam ruang nyata, yang mempengaruhi arah dan simetri gelinciran antara lapisan sistem. Oleh kerana sifat topologi WTe2, seperti bilangan titik Weyl dan tahap pemisahan dalam ruang momentum, sangat bergantung pada simetri sistem (Rajah 3), pengujaan asimetri pembawa akan membawa kepada tingkah laku kuastipartikel Weyl yang berbeza dalam ruang momentum dan perubahan yang sepadan dalam sifat topologi sistem. Oleh itu, kajian ini menyediakan gambarajah fasa yang jelas untuk peralihan fasa fototopologi (Rajah 4).

Keputusan menunjukkan bahawa kiraliti pengujaan pembawa berhampiran titik Weyl perlu diberi perhatian, dan sifat orbital atom fungsi gelombang perlu dianalisis. Kesan kedua-duanya adalah serupa tetapi mekanismenya jelas berbeza, yang menyediakan asas teori untuk menjelaskan singulariti titik Weyl. Di samping itu, kaedah pengiraan yang digunakan dalam kajian ini dapat memahami secara mendalam interaksi kompleks dan tingkah laku dinamik pada tahap atom dan elektronik dalam skala masa yang sangat pantas, mendedahkan mekanisme mikrofizikalnya, dan dijangka menjadi alat yang ampuh untuk penyelidikan masa depan mengenai fenomena optik tak linear dalam bahan topologi.

Hasilnya terdapat dalam jurnal Nature Communications. Kerja penyelidikan ini disokong oleh Pelan Penyelidikan dan Pembangunan Utama Negara, Yayasan Sains Semula Jadi Negara dan Projek Perintis Strategik (Kategori B) Akademi Sains China.

RAJAH 1.a. Peraturan pemilihan kiraliti untuk titik Weyl dengan tanda kiraliti positif (χ=+1) di bawah cahaya terkutub bulat; Pengujaan terpilih disebabkan oleh simetri orbital atom pada titik Weyl b. χ=+1 dalam cahaya terkutub dalam talian

RAJAH 2. Gambarajah struktur atom a, Td-WTe2; b. Struktur jalur berhampiran permukaan Fermi; (c) Struktur jalur dan sumbangan relatif orbital atom yang tersebar di sepanjang garis simetri tinggi di kawasan Brillouin, anak panah (1) dan (2) masing-masing mewakili pengujaan berhampiran atau jauh dari titik Weyl; d. Amplifikasi struktur jalur di sepanjang arah Gamma-X

RAJAH 3.ab: Pergerakan antara lapisan relatif bagi arah pengkutuban cahaya terkutub linear di sepanjang paksi-A dan paksi-B kristal, dan mod pergerakan yang sepadan digambarkan; C. Perbandingan antara simulasi teori dan pemerhatian eksperimen; de: Evolusi simetri sistem dan kedudukan, bilangan dan darjah pemisahan dua titik Weyl terdekat dalam satah kz=0

RAJAH 4. Peralihan fasa fototopologi dalam Td-WTe2 untuk tenaga foton cahaya terkutub linear (?) ω) dan gambarajah fasa bergantung arah pengkutuban (θ)