Ang pag-unlad ay ginawa sa pag-aaral ng ultrafast motion ng Weil quasiparticle na kinokontrol ng mga laser

Ang pag-unlad ay ginawa sa pag-aaral ng ultrafast motion ng Weil quasiparticle na kinokontrol ngmga laser

Sa mga nagdaang taon, ang teoretikal at eksperimental na pananaliksik sa topological quantum states at topological quantum material ay naging mainit na paksa sa larangan ng condensed matter physics. Bilang isang bagong konsepto ng pag-uuri ng bagay, ang topological order, tulad ng symmetry, ay isang pangunahing konsepto sa condensed matter physics. Ang malalim na pag-unawa sa topology ay nauugnay sa mga pangunahing problema sa condensed matter physics, tulad ng pangunahing electronic structure ngmga yugto ng quantum, quantum phase transition at excitation ng maraming immobilized elements sa quantum phases. Sa mga topological na materyales, ang pagsasama sa pagitan ng maraming antas ng kalayaan, tulad ng mga electron, phonon at spin, ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa pag-unawa at pagsasaayos ng mga katangian ng materyal. Maaaring gamitin ang magaan na paggulo upang makilala sa pagitan ng iba't ibang pakikipag-ugnayan at manipulahin ang estado ng bagay, at ang impormasyon tungkol sa mga pangunahing pisikal na katangian ng materyal, mga pagbabago sa yugto ng istruktura, at mga bagong estado ng quantum ay maaaring makuha. Sa kasalukuyan, ang relasyon sa pagitan ng macroscopic na pag-uugali ng mga topological na materyales na hinimok ng light field at ang kanilang mikroskopiko na atomic na istraktura at mga elektronikong katangian ay naging isang layunin ng pananaliksik.

Ang pag-uugali ng pagtugon ng photoelectric ng mga topological na materyales ay malapit na nauugnay sa mikroskopikong elektronikong istraktura nito. Para sa topological semi-metal, ang carrier excitation malapit sa band intersection ay lubos na sensitibo sa mga katangian ng wave function ng system. Ang pag-aaral ng nonlinear optical phenomena sa topological semi-metal ay makakatulong sa amin na mas maunawaan ang mga pisikal na katangian ng mga nasasabik na estado ng system, at inaasahan na ang mga epektong ito ay magagamit sa paggawa ngmga optical deviceat ang disenyo ng mga solar cell, na nagbibigay ng mga potensyal na praktikal na aplikasyon sa hinaharap. Halimbawa, sa isang Weyl semi-metal, ang pagsipsip ng photon ng circularly polarized light ay magdudulot ng pag-flip ng spin, at upang matugunan ang konserbasyon ng angular momentum, ang electron excitation sa magkabilang panig ng Weyl cone ay magiging asymmetrically distributed along ang direksyon ng circularly polarized light propagation, na tinatawag na chiral selection rule (Figure 1).

Ang teoretikal na pag-aaral ng nonlinear optical phenomena ng mga topological na materyales ay kadalasang gumagamit ng paraan ng pagsasama-sama ng pagkalkula ng mga materyal na katangian ng ground state at pagsusuri ng simetrya. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay may ilang mga depekto: kulang ito ng real-time na dynamic na impormasyon ng mga nasasabik na carrier sa momentum space at real space, at hindi ito makapagtatag ng direktang paghahambing sa paraan ng eksperimental na pagtuklas na nalutas sa oras. Ang pagsasama sa pagitan ng mga electron-phonon at photon-phonon ay hindi maaaring isaalang-alang. At ito ay mahalaga para sa ilang mga phase transition na mangyari. Bilang karagdagan, ang teoretikal na pagsusuri na ito batay sa teorya ng perturbation ay hindi maaaring makitungo sa mga pisikal na proseso sa ilalim ng malakas na larangan ng liwanag. Ang time-dependent density functional molecular dynamics (TDDFT-MD) simulation batay sa mga unang prinsipyo ay maaaring malutas ang mga problema sa itaas.

Kamakailan, sa ilalim ng patnubay ng researcher na si Meng Sheng, postdoctoral researcher na si Guan Mengxue at doctoral student na si Wang En ng SF10 Group ng State Key Laboratory of Surface Physics ng Institute of Physics ng Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, sa pakikipagtulungan kay Propesor Sun Jiatao ng Beijing Institute of Technology, ginamit nila ang self-developed na excited state dynamics simulation software na TDAP. Ang mga katangian ng pagtugon ng quastiparticle excitation sa ultrafast laser sa pangalawang uri ng Weyl semi-metal WTe2 ay sinisiyasat.

Ipinakita na ang selective excitation ng mga carrier na malapit sa Weyl point ay tinutukoy ng atomic orbital symmetry at transition selection rule, na iba sa karaniwang spin selection rule para sa chiral excitation, at ang excitation path nito ay makokontrol sa pamamagitan ng pagbabago ng polarization direction. ng linearly polarized light at photon energy (FIG. 2).

Ang asymmetric na paggulo ng mga carrier ay nag-uudyok ng mga photocurrent sa iba't ibang direksyon sa totoong espasyo, na nakakaapekto sa direksyon at simetrya ng interlayer slip ng system. Dahil ang mga topological na katangian ng WTe2, tulad ng bilang ng mga Weyl point at ang antas ng paghihiwalay sa momentum space, ay lubos na nakadepende sa simetrya ng system (Larawan 3), ang asymmetric na paggulo ng mga carrier ay magdadala ng iba't ibang pag-uugali ng Weyl quastiparticle sa momentum space at kaukulang pagbabago sa topological properties ng system. Kaya, ang pag-aaral ay nagbibigay ng isang malinaw na phase diagram para sa phototopological phase transition (Larawan 4).

Ang mga resulta ay nagpapakita na ang chirality ng carrier excitation malapit sa Weyl point ay dapat bigyang pansin, at ang atomic orbital properties ng wave function ay dapat na masuri. Ang mga epekto ng dalawa ay magkatulad ngunit ang mekanismo ay malinaw na naiiba, na nagbibigay ng isang teoretikal na batayan para sa pagpapaliwanag ng kaisahan ng mga punto ng Weyl. Bilang karagdagan, ang computational method na pinagtibay sa pag-aaral na ito ay maaaring malalim na maunawaan ang mga kumplikadong pakikipag-ugnayan at dynamical na pag-uugali sa atomic at electronic na antas sa isang napakabilis na sukat ng oras, ibunyag ang kanilang mga microphysical na mekanismo, at inaasahang maging isang makapangyarihang tool para sa hinaharap na pananaliksik sa nonlinear optical phenomena sa mga topological na materyales.

Ang mga resulta ay nasa journal Nature Communications. Ang gawaing pananaliksik ay sinusuportahan ng National Key Research and Development Plan, ang National Natural Science Foundation at ang Strategic Pilot Project (Kategorya B) ng Chinese Academy of Sciences.

FIG.1.a. Ang panuntunan sa pagpili ng chirality para sa mga Weyl point na may positibong chirality sign (χ=+1) sa ilalim ng circularly polarized na ilaw; Selective excitation dahil sa atomic orbital symmetry sa Weyl point ng b. χ=+1 sa on-line na polarized na ilaw

FIG. 2. Atomic structure diagram ng a, Td-WTe2; b. Istraktura ng banda malapit sa ibabaw ng Fermi; (c) Ang istraktura ng banda at mga kamag-anak na kontribusyon ng mga atomic orbital na ipinamahagi sa mga matataas na simetriko na linya sa rehiyon ng Brillouin, ang mga arrow (1) at (2) ay kumakatawan sa paggulo malapit o malayo mula sa mga punto ng Weyl, ayon sa pagkakabanggit; d. Pagpapalakas ng istraktura ng banda sa direksyon ng Gamma-X

FIG.3.ab: Ang relatibong interlayer na paggalaw ng linearly polarized light polarization na direksyon sa kahabaan ng A-axis at B-axis ng crystal, at ang kaukulang mode ng paggalaw ay inilalarawan; C. Paghahambing sa pagitan ng theoretical simulation at experimental observation; de: Symmetry evolution ng system at ang posisyon, numero at antas ng paghihiwalay ng dalawang pinakamalapit na Weyl point sa kz=0 plane

FIG. 4. Phototopological phase transition sa Td-WTe2 para sa linearly polarized light photon energy (?) ω) at polarization direction (θ) dependent phase diagram