Напредак је постигнут у проучавању ултрабрзог кретања Веил квазичестица контролисаних ласерима

Напредак је постигнут у проучавању ултрабрзог кретања Веил квазичестица које контролишеласери

Последњих година, теоријска и експериментална истраживања тополошких квантних стања и тополошких квантних материјала постала су врућа тема у области физике кондензоване материје. Као нови концепт класификације материје, тополошки поредак, као и симетрија, је фундаментални концепт у физици кондензоване материје. Дубоко разумевање топологије повезано је са основним проблемима у физици кондензоване материје, као што је основна електронска структураквантне фазе, квантне фазне прелазе и побуду многих имобилисаних елемената у квантним фазама. У тополошким материјалима, спрега између многих степени слободе, као што су електрони, фонони и спин, игра одлучујућу улогу у разумевању и регулисању својстава материјала. Побуђивање светлости се може користити за разликовање различитих интеракција и манипулисање стањем материје, а затим се могу добити информације о основним физичким својствима материјала, структурним фазним прелазима и новим квантним стањима. Тренутно је однос између макроскопског понашања тополошких материјала вођених светлосним пољем и њихове микроскопске атомске структуре и електронских својстава постао циљ истраживања.

Понашање фотоелектричног одговора тополошких материјала уско је повезано са његовом микроскопском електронском структуром. За тополошке полуметале, побуда носиоца у близини пресека појаса је веома осетљива на карактеристике таласне функције система. Проучавање нелинеарних оптичких феномена у тополошким полуметалима може нам помоћи да боље разумемо физичка својства побуђених стања система, а очекује се да се ови ефекти могу користити у производњиоптички уређајии дизајн соларних ћелија, пружајући потенцијалне практичне примене у будућности. На пример, у Вејловом полуметалу, апсорбовање фотона кружно поларизоване светлости ће изазвати окретање спина, а да би се испунило очување угаоног момента, побуђивање електрона на обе стране Вејловог конуса ће бити асиметрично распоређено дуж правац простирања кружно поларизоване светлости, који се назива правило хиралне селекције (слика 1).

Теоријско проучавање нелинеарних оптичких феномена тополошких материјала обично усваја метод комбиновања прорачуна својстава основног стања материјала и анализе симетрије. Међутим, овај метод има неке недостатке: недостаје му динамичка информација о побуђеним носиоцима у реалном времену у простору импулса и реалном простору и не може да успостави директно поређење са временски разрешеном експерименталном методом детекције. Спој између електрон-фонона и фотон-фонона се не може разматрати. А ово је кључно за одређене фазне прелазе. Поред тога, ова теоријска анализа заснована на теорији пертурбације не може се бавити физичким процесима под јаким светлосним пољем. Симулација функционалне молекуларне динамике густине (ТДДФТ-МД) заснована на првим принципима може да реши горе наведене проблеме.

Недавно, под вођством истраживача Менг Схенга, постдокторског истраживача Гуан Менгкуеа и докторанта Ванг Ен из групе СФ10 Државне кључне лабораторије за физику површине Института за физику Кинеске академије наука/Пекиншког националног истраживачког центра за концентрисане материје Физика, у сарадњи са професором Сун Јиатаоом са Пекиншког технолошког института, користили су софтвер за симулацију динамике узбуђеног стања ТДАП који су сами развили. Истражене су карактеристике одговора ексцитације квастичестица на ултрабрзи ласер у другој врсти Веил полуметала ВТе2.

Показало се да је селективна побуда носилаца у близини Вејлове тачке одређена атомском орбиталном симетријом и правилом селекције прелаза, које се разликује од уобичајеног правила селекције спина за хиралну побуду, а његова путања побуде се може контролисати променом смера поларизације. линеарно поларизоване светлости и енергије фотона (слика 2).

Асиметрична побуда носилаца индукује фотострује у различитим правцима у реалном простору, што утиче на правац и симетрију међуслојног клизања система. Будући да тополошка својства ВТе2, као што су број Вејлових тачака и степен раздвајања у моментном простору, у великој мери зависе од симетрије система (слика 3), асиметрична побуда носилаца ће довести до другачијег понашања Вејлова. квастичестице у импулсном простору и одговарајуће промене тополошких својстава система. Дакле, студија пружа јасан фазни дијаграм за фототополошке фазне прелазе (слика 4).

Резултати показују да треба обратити пажњу на киралност побуђивања носиоца у близини Вејлове тачке и анализирати атомска орбитална својства таласне функције. Ефекти ова два су слични, али механизам је очигледно другачији, што пружа теоријску основу за објашњење сингуларности Вејлових тачака. Поред тога, рачунарски метод усвојен у овој студији може дубоко разумети сложене интеракције и динамичко понашање на атомском и електронском нивоу у супер-брзој временској скали, открити њихове микрофизичке механизме и очекује се да ће бити моћно средство за будућа истраживања о нелинеарне оптичке појаве у тополошким материјалима.

Резултати су у часопису Натуре Цоммуницатионс. Истраживачки рад је подржан од стране Националног кључног плана истраживања и развоја, Националне фондације за природне науке и Стратешког пилот пројекта (категорија Б) Кинеске академије наука.

СЛИКА 1.а. Правило селекције киралности за Вејлове тачке са позитивним предзнаком киралности (χ=+1) под кружно поларизованим светлом; Селективна побуда услед атомске орбиталне симетрије у Вејловој тачки б. χ=+1 у он-лине поларизованом светлу

Фиг. 2. Дијаграм атомске структуре а, Тд-ВТе2; б. Структура трака близу Фермијеве површине; (ц) Структура појаса и релативни доприноси атомских орбитала распоређених дуж високих симетричних линија у Брилоуиновом региону, стрелице (1) и (2) представљају ексцитацију близу или далеко од Вејлове тачке, респективно; д. Појачавање структуре трака дуж Гама-Кс правца

СЛИКА 3.аб: Релативно међуслојно кретање смера линеарно поларизоване поларизације светлости дуж А-осе и Б-осе кристала, и одговарајући начин кретања је илустрован; Ц. Поређење између теоријске симулације и експерименталног посматрања; де: Еволуција симетрије система и положај, број и степен раздвајања две најближе Вејлове тачке у кз=0 равни

Фиг. 4. Фототополошки фазни прелаз у Тд-ВТе2 за линеарно поларизовану светлосну енергију фотона (?) ω) и фазни дијаграм зависан од смера поларизације (θ)