Постигнут је напредак у проучавању ултрабрзог кретања Вајлових квазичестица контролисаних помоћуласери
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 ред, попут симетрије, 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, квантни фазни прелази и побуђивање многих имобилизованих елемената у квантним фазама. Код тополошких материјала, спрезање између многих степена слободе, као што су електрони, фонони и спин, игра одлучујућу улогу у разумевању и регулисању својстава материјала. Светлосна побуђивање може се користити за разликовање различитих интеракција и манипулацију стањем материје, а затим се могу добити информације о основним физичким својствима материјала, структурним фазним прелазима и новим квантним стањима. Тренутно је веза између макроскопског понашања тополошких материјала вођених светлосним пољем и њихове микроскопске атомске структуре и електронских својстава постала циљ истраживања.
Фотоелектрично понашање тополошких материјала је уско повезано са њиховом микроскопском електронском структуром. Код тополошких полуметала, побуђивање носилаца у близини пресека зона је веома осетљиво на карактеристике таласне функције система. Проучавање нелинеарних оптичких феномена у тополошким полуметалима може нам помоћи да боље разумемо физичка својства побуђених стања система и очекује се да се ови ефекти могу користити у производњи...оптички уређајии дизајн соларних ћелија, пружајући потенцијалне практичне примене у будућности. На пример, код Вејловог полуметала, апсорпција фотона циркуларно поларизоване светлости ће изазвати промену спина, а да би се задовољио закон очувања угаоног момента, побуђивање електрона са обе стране Вејловог конуса ће бити асиметрично распоређено дуж правца простирања циркуларно поларизоване светлости, што се назива правило киралне селекције (Слика 1).
Теоријска студија нелинеарних оптичких феномена тополошких материјала обично усваја метод комбиновања израчунавања својстава основног стања материјала и анализе симетрије. Међутим, ова метода има неке недостатке: недостају јој динамичке информације у реалном времену о побуђеним носиоцима у простору импулса и реалном простору, и не може успоставити директно поређење са временски разрешеном експерименталном методом детекције. Спреза између електрон-фонона и фотон-фонона не може се узети у обзир. А то је кључно за појаву одређених фазних прелаза. Поред тога, ова теоријска анализа заснована на теорији пертурбације не може да се бави физичким процесима под јаким светлосним пољем. Симулација временски зависне молекуларне динамике функционалне густине (TDDFT-MD) заснована на првим принципима може решити горе наведене проблеме.
Недавно су, под вођством истраживача Менг Шенга, постдокторског истраживача Гуан Менгсјуеа и докторанта Ванг Ена из SF10 групе Државне кључне лабораторије за физику површина Института за физику Кинеске академије наука/Пекингског националног истраживачког центра за физику концентроване материје, у сарадњи са професором Сун Ђиатаом из Пекиншког технолошког института, користили сопствено развијени софтвер за симулацију динамике побуђеног стања TDAP. Истражују се карактеристике одзива квастичестичне побуде на ултрабрзи ласер у другој врсти Вејловог полуметала WTe2.
Показано је да је селективна ексцитација носилаца у близини Вејлове тачке одређена атомском орбиталном симетријом и правилом селекције прелаза, што се разликује од уобичајеног правила селекције спина за киралну ексцитацију, а њена путања ексцитације може се контролисати променом правца поларизације линеарно поларизоване светлости и енергије фотона (Сл. 2).
Асиметрична побуда носилаца индукује фотострује у различитим правцима у реалном простору, што утиче на правац и симетрију међуслојног клизања система. Пошто су тополошка својства WTe2, као што су број Вејлових тачака и степен раздвајања у простору импулса, у великој мери зависна од симетрије система (слика 3), асиметрична побуда носилаца ће довести до различитог понашања Вејлових квастичестица у простору импулса и одговарајућих промена у тополошким својствима система. Стога, студија пружа јасан фазни дијаграм за фототополошке фазне прелазе (слика 4).
Резултати показују да треба обратити пажњу на хиралност побуђивања носилаца у близини Вејлове тачке и анализирати атомска орбитална својства таласне функције. Ефекти ова два су слични, али је механизам очигледно другачији, што пружа теоријску основу за објашњење сингуларности Вејлових тачака. Поред тога, рачунарска метода усвојена у овој студији може дубоко разумети сложене интеракције и динамичка понашања на атомском и електронском нивоу у супербрзој временској скали, открити њихове микрофизичке механизме и очекује се да ће бити моћан алат за будућа истраживања нелинеарних оптичких феномена у тополошким материјалима.
Резултати су објављени у часопису Nature Communications. Истраживачки рад је подржан од стране Националног кључног плана за истраживање и развој, Националне фондације за природне науке и Стратешког пилот пројекта (категорија Б) Кинеске академије наука.
СЛ. 1.а. Правило селекције хиралности за Вејлове тачке са позитивним знаком хиралности (χ=+1) под циркуларно поларизованом светлошћу; Селективна побуда услед атомске орбиталне симетрије у Вејловој тачки b. χ=+1 у онлајн поларизованој светлости
СЛ. 2. Дијаграм атомске структуре a, Td-WTe2; b. Структура зоне близу Фермијеве површине; (c) Структура зоне и релативни доприноси атомских орбитала распоређених дуж високо симетричних линија у Брилуеновом подручју, стрелице (1) и (2) представљају побуђивање близу или далеко од Вејлових тачака, респективно; d. Појачање структуре зоне дуж Гама-X правца
СЛ.3.аб: Илустровано је релативно међуслојно кретање правца поларизације линеарно поларизоване светлости дуж А-осе и Б-осе кристала и одговарајући начин кретања; Ц. Поређење између теоријске симулације и експерименталног посматрања; де: Еволуција симетрије система и положај, број и степен раздвајања две најближе Вејлове тачке у равни kz=0
СЛ. 4. Фототополошки фазни прелаз у Td-WTe2 за фазни дијаграм зависан од енергије фотона линеарне поларизоване светлости (?) ω) и правца поларизације (θ)
Време објаве: 25. септембар 2023.