Напредок е постигнат во проучувањето на ултрабрзото движење на Вајловите квазичестички контролирани одласери
Во последниве години, теоретските и експерименталните истражувања за тополошките квантни состојби и тополошките квантни материјали станаа жешка тема во областа на физиката на кондензирана материја. Како нов концепт за класификација на материјата, тополошкиот ред, како и симетријата, е фундаментален 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 квантните фази. Кај 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 материјалите. Светлинската возбуда може да се користи за разликување помеѓу различни интеракции и манипулирање 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, односот помеѓу макроскопското однесување на тополошките материјали управувано од светлосното поле и нивната микроскопска атомска структура и електронски својства стана цел на истражување.
Фотоелектричното однесување на тополошките материјали е тесно поврзано со нивната микроскопска електронска структура. За тополошките полуметали, возбудата на носителите во близина на пресекот на лентите е многу чувствителна на карактеристиките на брановата функција на системот. Проучувањето на нелинеарните 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 можат да се користат во производството наоптички уредии дизајнот на сончеви ќелии, што обезбедува потенцијални практични апликации во иднина. На пример, кај Вејлов полуметал, апсорпцијата на фотон од кружно поларизирана светлина ќе предизвика промена на спинот, а за да се исполни правилото за зачувување на аголниот моментум, електронската возбуда од двете страни на Вејловиот конус ќе биде асиметрично распределена по насоката на кружно поларизираното ширење на светлината, што се нарекува правило за хирална селекција (Слика 1).
Теоретското проучување на нелинеарните оптички феномени на тополошките материјали обично го користи методот на комбинирање на пресметката на својствата на основната состојба на материјалот и анализата на симетријата. Сепак, овој метод има некои недостатоци: му недостасуваат динамички информации во реално време за возбудените носители во просторот на импулсот и реалниот простор и не може да воспостави директна споредба со методот на експериментално детектирање со временска резолуција. Спојувањето помеѓу електрони-фонони и фотони-фонони не може да се земе предвид. И ова е клучно за да се појават одредени фазни транзиции. Покрај тоа, оваа теоретска анализа базирана на теоријата на пертурбации не може да се справи со физичките процеси под силно светлосно поле. Симулацијата на временски зависна функционална молекуларна динамика на густината (TDDFT-MD) базирана на првите принципи може да ги реши горенаведените проблеми.
Неодамна, под водство на истражувачот Менг Шенг, постдокторскиот истражувач Гуан Менгсјуе и докторантот Ванг Ен од SF10 групата на Државната клучна лабораторија за површинска физика на Институтот за физика на Кинеската академија на науките/Пекинг Националниот истражувачки центар за физика на концентрирана материја, во соработка со професорот Сун Џиатао од Пекиншкиот институт за технологија, тие го користеа самостојно развиениот софтвер за симулација на динамика на возбудена состојба TDAP. Истражени се карактеристиките на одговор на возбудувањето на квастичестички на ултрабрз ласер во вториот вид на Вејл полуметал WTe2.
Покажано е дека селективното возбудување на носителите во близина на Вејловата точка е определено со атомска орбитална симетрија и правило за избор на транзиција, што е различно од вообичаеното правило за избор на спин за хирална возбуда, а неговиот пат на возбудување може да се контролира со промена на насоката на поларизација на линеарно поларизираната светлина и енергијата на фотоните (Сл. 2).
Асиметричното возбудување на носителите индуцира 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 Вејлови точки и степенот на раздвојување во просторот на импулсот, се многу зависни од симетријата на системот (Слика 3), асиметричното возбудување на носителите ќе донесе различно однесување на Вејловите квастичестички во просторот на импулсот и соодветни промени во тополошките својства на системот. Така, студијата дава јасен фазен дијаграм за фототополошки фазни транзиции (Слика 4).
Резултатите покажуваат дека треба да се обрне внимание на хиралноста на возбудувањето на носителите во близина на Вејловата точка и да се анализираат атомските орбитални својства на брановата функција. Ефектите на двете се слични, но механизмот е очигледно различен, што обезбедува теоретска основа за објаснување на сингуларноста на Вејловите точки. Покрај тоа, компјутерскиот метод усвоен во оваа студија може длабоко да ги разбере сложените интеракции и динамичките однесувања на атомско и електронско ниво во супер брз временски период, да ги открие нивните микрофизички механизми и се очекува да биде моќна алатка за идно истражување на нелинеарни оптички феномени во тополошки материјали.
Резултатите се објавени во списанието Nature Communications. Истражувачката работа е поддржана од Националниот план за клучни истражувања и развој, Националната фондација за природни науки и Стратешкиот пилот-проект (Категорија Б) на Кинеската академија на науките.
СЛ.1.а. Правило за селекција на хиралност за Вејлови точки со позитивен знак на хиралност (χ=+1) под кружно поларизирана светлина; Селективна возбуда поради атомска орбитална симетрија во Вејловата точка на b. χ=+1 во онлајн поларизирана светлина
СЛ. 2. Дијаграм на атомска структура на a, Td-WTe2; б. Структура на лентата во близина на површината на Ферми; (в) Структура на лентата и релативни придонеси на атомските орбитали распоредени по високи симетрични линии во регионот Брилуен, стрелките (1) и (2) претставуваат возбуда во близина или далеку од точките на Вејл, соодветно; г. Засилување на структурата на лентата по насоката Гама-X
Сл.3.ab: Илустрирано е релативното движење на меѓуслојот во насоката на линеарно поларизирана поларизација на светлината по должината на A-оската и B-оската на кристалот, како и соодветниот режим на движење; C. Споредба помеѓу теоретската симулација и експерименталното набљудување; de: Еволуција на симетријата на системот и положбата, бројот и степенот на одвојување на двете најблиски Вејлови точки во рамнината kz=0
СЛ. 4. Фототополошки фазен премин во Td-WTe2 за линеарно поларизирана енергија на светлосни фотони (?) ω) и насока на поларизација (θ) зависен од фазен дијаграм
Време на објавување: 25 септември 2023 година