Előrehaladás történt a Weil-kvázirészecskék ultragyors mozgásának tanulmányozásában, amelyet a következők irányítanak:lézerek
Az utóbbi években a topológiai kvantumállapotokkal és topológiai kvantumanyagokkal kapcsolatos elméleti és kísérleti kutatás forró témává vált a kondenzált anyagok fizikájának területén. Az anyagosztályozás új koncepciójaként a topológiai rend, a szimmetriához hasonlóan, alapvető fogalom a kondenzált anyagok fizikájában. A topológia mélyreható megértése összefügg a kondenzált anyagok fizikájának alapvető problémáival, mint például a...kvantumfázisok, kvantumfázisátmenetek és számos immobilizált elem gerjesztése kvantumfázisokban. Topológiai anyagokban a számos szabadsági fok, például az elektronok, fononok és spin közötti kölcsönhatás döntő szerepet játszik az anyagtulajdonságok megértésében és szabályozásában. A fénygerjesztés felhasználható a különböző kölcsönhatások megkülönböztetésére és az anyag halmazállapotának manipulálására, és így információk nyerhetők az anyag alapvető fizikai tulajdonságairól, szerkezeti fázisátmeneteiről és új kvantumállapotairól. Jelenleg a topológiai anyagok fénytér által vezérelt makroszkopikus viselkedése és mikroszkopikus atomszerkezete, valamint elektronikus tulajdonságai közötti kapcsolat kutatási céllá vált.
A topológiai anyagok fotoelektromos válaszreakciója szorosan összefügg mikroszkopikus elektronikus szerkezetükkel. Topológiai félfémek esetében a sávmetszet közelében lévő vivőgerjesztés nagyon érzékeny a rendszer hullámfüggvény-jellemzőire. A topológiai félfémek nemlineáris optikai jelenségeinek vizsgálata segíthet jobban megérteni a rendszer gerjesztett állapotainak fizikai tulajdonságait, és várható, hogy ezek a hatások felhasználhatók a következők gyártásában:optikai eszközök...valamint a napelemek tervezése, amelyek a jövőben potenciális gyakorlati alkalmazásokat kínálnak. Például egy Weyl-félfémben a cirkulárisan polarizált fény fotonjának elnyelése a spin megfordulását okozza, és a perdületmegmaradás törvényének teljesítése érdekében a Weyl-kúp mindkét oldalán az elektrongerjesztés aszimmetrikusan oszlik el a cirkulárisan polarizált fény terjedési irányában, ezt királis szelekciós szabálynak nevezzük (1. ábra).
A topológiai anyagok nemlineáris optikai jelenségeinek elméleti vizsgálata általában az anyagi alapállapot-tulajdonságok számításának és a szimmetriaanalízisnek a kombinálásával történik. Ennek a módszernek azonban vannak hiányosságai: hiányzik belőle a gerjesztett töltéshordozók valós idejű dinamikus információja az impulzustérben és a valós térben, és nem lehet közvetlen összehasonlítást tenni az időfelbontásos kísérleti detektálási módszerrel. Az elektron-fononok és a foton-fononok közötti csatolás nem vehető figyelembe. Ez pedig bizonyos fázisátmenetek bekövetkezéséhez elengedhetetlen. Ezenkívül ez a perturbációelméleten alapuló elméleti elemzés nem tudja kezelni az erős fénytérben lejátszódó fizikai folyamatokat. Az első elveken alapuló időfüggő sűrűségfunkcionális molekuláris dinamika (TDDFT-MD) szimuláció megoldhatja a fenti problémákat.
Nemrégiben Meng Sheng kutató, Guan Mengxue posztdoktori kutató és Wang En doktorandusz irányításával, a Kínai Tudományos Akadémia Fizikai Intézete/Pekingi Koncentrált Anyagfizikai Nemzeti Kutatóközpont Felületfizikai Állami Kulcslaboratóriumának SF10 Csoportjából, a Pekingi Műszaki Intézet Sun Jiatao professzorával együttműködve, a saját fejlesztésű gerjesztett állapot dinamika szimulációs szoftvert, a TDAP-t használták. A második típusú Weyl félfém WTe2-ben a kvázirészecske gerjesztésének ultragyors lézerre adott válaszjellemzőit vizsgálták.
Kimutatták, hogy a Weyl-pont közelében lévő töltéshordozók szelektív gerjesztését az atompálya-szimmetria és az átmenetkiválasztási szabály határozza meg, amely eltér a királis gerjesztésre vonatkozó szokásos spinkiválasztási szabálytól, és gerjesztési útvonala a lineárisan polarizált fény és a fotonenergia polarizációs irányának változtatásával szabályozható (2. ÁBRA).
A töltéshordozók aszimmetrikus gerjesztése a valós térben különböző irányú fotoáramokat indukál, ami befolyásolja a rendszer rétegközi csúszásának irányát és szimmetriáját. Mivel a WTe2 topológiai tulajdonságai, mint például a Weyl-pontok száma és az elkülönülés mértéke az impulzustérben, nagymértékben függenek a rendszer szimmetriájától (3. ábra), a töltéshordozók aszimmetrikus gerjesztése a Weyl-kvázirészecskék eltérő viselkedését eredményezi az impulzustérben, és ennek megfelelően változásokat a rendszer topológiai tulajdonságaiban. Így a tanulmány egyértelmű fázisdiagramot nyújt a fototopológiai fázisátmenetekhez (4. ábra).
Az eredmények azt mutatják, hogy figyelmet kell fordítani a Weyl-pont közelében lévő töltéshordozó-gerjesztés kiralitására, és elemezni kell a hullámfüggvény atomi pályatulajdonságait. A kettő hatása hasonló, de a mechanizmus nyilvánvalóan eltérő, ami elméleti alapot nyújt a Weyl-pontok szingularitása magyarázatához. Ezenkívül a jelen tanulmányban alkalmazott számítási módszer mélyrehatóan megértheti az atomi és elektronikus szintű komplex kölcsönhatásokat és dinamikus viselkedéseket szupergyors időskálán, feltárhatja azok mikrofizikai mechanizmusait, és várhatóan hatékony eszköz lesz a topológiai anyagok nemlineáris optikai jelenségeinek jövőbeli kutatásához.
Az eredmények a Nature Communications folyóiratban jelentek meg. A kutatómunkát a Nemzeti Kulcsfontosságú Kutatási és Fejlesztési Terv, a Nemzeti Természettudományi Alapítvány és a Kínai Tudományos Akadémia Stratégiai Kísérleti Projektje (B kategória) támogatja.
1.a. ÁBRA: A pozitív kiralitásjelű (χ=+1) Weyl-pontok kiralitáskiválasztási szabálya cirkulárisan polarizált fényben; Szelektív gerjesztés az atompálya-szimmetria miatt a b. pont Weyl-pontjánál. χ=+1 online polarizált fényben
2. ÁBRA. a) Td-WTe2 atomszerkezeti diagramja; b) Sávszerkezet a Fermi-felület közelében; (c) A Brillouin-tartományban a magas szimmetriájú vonalak mentén elosztott atompályák sávszerkezete és relatív hozzájárulása, az (1) és (2) nyilak a Weyl-pontokhoz közeli, illetve azoktól távoli gerjesztést jelölik; d) A sávszerkezet erősítése a Gamma-X irányban
3.ab. ÁBRA: A lineárisan polarizált fény polarizációs irányának relatív rétegközi mozgása a kristály A-tengelye és B-tengelye mentén, valamint a megfelelő mozgásmód szemléltetése; C. Összehasonlítás az elméleti szimuláció és a kísérleti megfigyelés között; de: A rendszer szimmetriafejlődése, valamint a két legközelebbi Weyl-pont helyzete, száma és távolságának mértéke a kz=0 síkban
4. ÁBRA. Fototopológiai fázisátmenet Td-WTe2-ben lineárisan polarizált fény fotonenergiájától (θ) és polarizációs irányától (θ) függő fázisdiagram esetén
Közzététel ideje: 2023. szeptember 25.