Постигнат е напредок во проучувањето на ултрабрзото движење на Вајловите квазичестички контролирани со ласери

Постигнат е напредок во проучувањето на ултрабрзото движење на Вајловите квазичестички контролирани одласери

Во последниве години, теоретските и експерименталните истражувања на тополошките квантни состојби и тополошките квантни материјали станаа жешка тема во областа на физиката на кондензирана материја. Како нов концепт на класификација на материјата, тополошкиот ред, како и симетријата, е основен концепт во физиката на кондензирана материја. Длабокото разбирање на топологијата е поврзано со основните проблеми во физиката на кондензирана материја, како што е основната електронска структура наквантни фази, квантни фазни транзиции и возбудување на многу имобилизирани елементи во квантни фази. Во тополошките материјали, спојувањето помеѓу многу степени на слобода, како што се електроните, фононите и спинот, игра одлучувачка улога во разбирањето и регулирањето на својствата на материјалот. Светлосното возбудување може да се користи за да се направи разлика помеѓу различните интеракции и да се манипулира со состојбата на материјата, а потоа може да се добијат информации за основните физички својства на материјалот, структурните фазни транзиции и новите квантни состојби. Во моментов, врската помеѓу макроскопското однесување на тополошките материјали поттикнати од светлосното поле и нивната микроскопска атомска структура и електронските својства стана истражувачка цел.

Однесувањето на фотоелектричниот одговор на тополошките материјали е тесно поврзано со неговата микроскопска електронска структура. За тополошките полуметали, возбудувањето на носачот во близина на пресекот на лентата е високо чувствително на карактеристиките на брановата функција на системот. Проучувањето на нелинеарни оптички феномени кај тополошките полуметали може да ни помогне подобро да ги разбереме физичките својства на возбудените состојби на системот и се очекува дека овие ефекти може да се користат во производството наоптички уредии дизајнот на соларни ќелии, обезбедувајќи потенцијални практични примени во иднина. На пример, во полуметал Вејл, апсорпцијата на фотон од кружно поларизирана светлина ќе предизвика спинот да се преврти, а со цел да се задоволат зачувувањето на аголниот моментум, побудувањето на електроните од двете страни на Веил конусот ќе биде асиметрично распределено по насоката на кружно поларизираното ширење на светлината, што се нарекува правило за хирален избор (слика 1).

Теоретското проучување на нелинеарни оптички појави на тополошки материјали обично го прифаќа методот на комбинирање на пресметување на особини на основната состојба на материјалот и анализа на симетрија. Сепак, овој метод има некои дефекти: му недостигаат динамички информации во реално време на возбудените носители во просторот на импулсот и реалниот простор, и не може да воспостави директна споредба со методот на експериментално откривање решена со време. Спојувањето помеѓу електрон-фононите и фотон-фононите не може да се земе предвид. И ова е клучно за да се случат одредени фазни транзиции. Покрај тоа, оваа теоретска анализа заснована на теоријата на пертурбации не може да се справи со физичките процеси под силното светлосно поле. Симулацијата на функционална молекуларна динамика со густина зависна од времето (TDDFT-MD) базирана на првите принципи може да ги реши горенаведените проблеми.

Неодамна, под водство на истражувачот Менг Шенг, постдокторскиот истражувач Гуан Менгсуе и докторантот Ванг Ен од групата SF10 на Државната клучна лабораторија за површинска физика на Институтот за физика на Кинеската академија на науките/Национален истражувачки центар за концентрирана материја во Пекинг Физика, во соработка со професорот Сун Џиатао од Технолошкиот институт во Пекинг, тие го користеа саморазвиениот софтвер за симулација на динамика на возбудена состојба TDAP. Се истражуваат карактеристиките на одговорот на возбудувањето на квастичестичките на ултрабрз ласер во вториот вид на полуметал WTe2 на Веил.

Се покажа дека селективното возбудување на носителите во близина на точката Вејл се одредува со атомска орбитална симетрија и правило за избор на транзиција, кое е различно од вообичаеното правило за избор на спин за хирално возбудување, а неговата патека на возбудување може да се контролира со промена на насоката на поларизација на линеарно поларизирана светлина и фотонска енергија (Сл. 2).

Асиметричното возбудување на носачите предизвикува фотоструи во различни насоки во реалниот простор, што влијае на насоката и симетријата на меѓуслојното лизгање на системот. Бидејќи тополошките својства на WTe2, како што се бројот на Weyl точки и степенот на одвојување во просторот на импулсот, се многу зависни од симетријата на системот (Слика 3), асиметричното возбудување на носителите ќе донесе различно однесување на Weyl квастичестички во просторот на импулсот и соодветните промени во тополошките својства на системот. Така, студијата обезбедува јасен фазен дијаграм за фототополошки фазни транзиции (Слика 4).

Резултатите покажуваат дека треба да се обрне внимание на киралноста на возбудувањето на носителот во близина на точката Вејл и треба да се анализираат атомските орбитални својства на брановата функција. Ефектите на двете се слични, но механизмот е очигледно различен, што дава теоретска основа за објаснување на сингуларноста на Weyl точките. Дополнително, пресметковниот метод усвоен во оваа студија може длабоко да ги разбере сложените интеракции и динамичко однесување на атомско и електронско ниво во супербрза временска скала, да ги открие нивните микрофизички механизми и се очекува да биде моќна алатка за идни истражувања на нелинеарни оптички појави во тополошки материјали.

Резултатите се во списанието Nature Communications. Истражувачката работа е поддржана од Националниот клучен план за истражување и развој, Националната природна научна фондација и Стратешкиот пилот проект (Категорија Б) на Кинеската академија на науките.

Сл.1.а. Правило за избор на хиралност за точките на Вејл со позитивен знак на хиралитет (χ=+1) при кружно поларизирана светлина; Селективно возбудување поради атомска орбитална симетрија во Вејловата точка од b. χ=+1 во on-line поларизирана светлина

Сл. 2. Дијаграм на атомска структура на a, Td-WTe2; б. Структура на лента во близина на површината на Ферми; (в) Структурата на лентата и релативниот придонес на атомските орбитали распоредени по високи симетрични линии во регионот Брилуен, стрелките (1) и (2) претставуваат возбудување блиску или далеку од точките на Вејл, соодветно; г. Засилување на структурата на лентата долж насоката Гама-Х

Сл.3.ab: Релативното меѓуслојно движење на насоката на поларизација на линеарно поларизирана светлина по должината на А-оската и B-оската на кристалот и соодветниот режим на движење е илустриран; В. Споредба помеѓу теоретска симулација и експериментално набљудување; де: Симетрија еволуција на системот и положбата, бројот и степенот на раздвојување на двете најблиски Вејл точки во рамнината kz=0

Сл. 4. Фототополошка фазна транзиција во Td-WTe2 за линеарно поларизирана светлосна фотонска енергија (?) ω) и фазен дијаграм зависен од насоката на поларизација (θ)