Kemajuan telah dibuat dalam kajian gerakan ultrafast quasipartikel Weil yang dikawal oleh laser

Kemajuan telah dibuat dalam kajian gerakan ultrafast quasipartikel Weil yang dikawal olehlaser

Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, penyelidikan teori dan eksperimen mengenai keadaan kuantum topologi dan bahan kuantum topologi telah menjadi topik hangat dalam bidang fizik jirim pekat. Sebagai konsep baharu pengelasan jirim, susunan topologi, seperti simetri, adalah konsep asas dalam fizik jirim pekat. Pemahaman mendalam tentang topologi berkaitan dengan masalah asas dalam fizik jirim pekat, seperti struktur elektronik asasfasa kuantum, peralihan fasa kuantum dan pengujaan banyak unsur tidak bergerak dalam fasa kuantum. Dalam bahan topologi, gandingan antara banyak darjah kebebasan, seperti elektron, fonon dan putaran, memainkan peranan yang menentukan dalam memahami dan mengawal 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 dan sifat elektroniknya telah menjadi matlamat penyelidikan.

Tingkah laku tindak balas fotoelektrik bahan topologi berkait rapat dengan struktur elektronik mikroskopiknya. Untuk separa logam topologi, pengujaan pembawa berhampiran persimpangan jalur adalah sangat sensitif kepada ciri fungsi gelombang sistem. Kajian tentang fenomena optik tak linear dalam separa logam topologi boleh membantu kita untuk lebih memahami sifat fizikal keadaan teruja sistem, dan kesan ini dijangka boleh digunakan dalam pembuatanperanti optikdan reka bentuk sel suria, menyediakan aplikasi praktikal yang berpotensi pada masa hadapan. Sebagai contoh, dalam separuh logam Weyl, menyerap foton cahaya terkutub bulat akan menyebabkan putaran terbalik, 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 tentang fenomena optik tak linear bahan topologi biasanya menggunakan kaedah penggabungan pengiraan sifat keadaan tanah bahan dan analisis simetri. Walau bagaimanapun, kaedah ini mempunyai beberapa kecacatan: ia tidak mempunyai maklumat dinamik masa nyata pembawa teruja dalam ruang momentum dan ruang sebenar, dan ia tidak boleh membuat perbandingan langsung dengan kaedah pengesanan eksperimen yang diselesaikan masa. Gandingan antara elektron-fonon dan foton-fonon tidak boleh dipertimbangkan. Dan ini penting untuk peralihan fasa tertentu berlaku. Di samping itu, analisis teori berdasarkan teori gangguan ini tidak dapat menangani proses fizikal di bawah medan cahaya yang kuat. Simulasi dinamik molekul berfungsi ketumpatan bergantung masa (TDDFT-MD) berdasarkan prinsip pertama boleh 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 Fizik Permukaan Negeri Institut Fizik Akademi Sains China/Pusat Penyelidikan Kebangsaan Beijing untuk Bahan Pekat Fizik, dengan kerjasama Profesor Sun Jiatao dari Institut Teknologi Beijing, mereka menggunakan perisian simulasi dinamik keadaan teruja yang dibangunkan sendiri TDAP. Ciri-ciri tindak balas pengujaan kuastipartikel kepada laser ultrafast dalam jenis kedua Weyl semi-logam WTe2 disiasat.

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

Pengujaan asimetri pembawa mendorong arus foto dalam arah yang berbeza dalam ruang nyata, yang mempengaruhi arah dan simetri gelinciran interlayer 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 kelakuan Weyl yang berbeza. kuastipartikel dalam ruang momentum dan perubahan yang sepadan dalam sifat topologi sistem. Oleh itu, kajian menyediakan gambar rajah fasa yang jelas untuk peralihan fasa fototopologi (Rajah 4).

Keputusan menunjukkan bahawa kiraliti pengujaan pembawa berhampiran titik Weyl harus diberi perhatian, dan sifat orbit atom fungsi gelombang perlu dianalisis. Kesan kedua-duanya adalah serupa tetapi mekanismenya jelas berbeza, yang menyediakan asas teori untuk menerangkan ketunggalan mata Weyl. Di samping itu, kaedah pengiraan yang diguna pakai dalam kajian ini dapat memahami dengan mendalam interaksi kompleks dan tingkah laku dinamik pada peringkat atom dan elektronik dalam skala masa yang sangat pantas, mendedahkan mekanisme mikrofizikal mereka, dan dijangka menjadi alat yang berkuasa untuk penyelidikan masa depan mengenai fenomena optik tak linear dalam bahan topologi.

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

GAMBAR.1.a. Peraturan pemilihan kiral untuk mata 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

Gbr. 2. Gambar rajah struktur atom a, Td-WTe2; b. Struktur jalur berhampiran permukaan Fermi; (c) Struktur jalur dan sumbangan relatif orbital atom yang diedarkan di sepanjang garis simetri tinggi di rantau Brillouin, anak panah (1) dan (2) masing-masing mewakili pengujaan dekat atau jauh dari titik Weyl; d. Penguatan struktur jalur sepanjang arah Gamma-X

RAJAH.3.ab: Pergerakan antara lapisan relatif arah polarisasi cahaya terkutub linear 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, nombor dan darjah pemisahan dua titik Weyl yang paling hampir dalam satah kz=0

Gbr. 4. Peralihan fasa fototopologi dalam Td-WTe2 untuk tenaga foton cahaya terkutub linear (?) ω) dan rajah fasa bergantung arah polarisasi (θ)