May nagawang pag-unlad sa pag-aaral ng napakabilis na galaw ng mga Weil quasiparticle na kontrolado ngmga laser
Sa mga nakaraang taon, ang teoretikal at eksperimental na pananaliksik sa mga topological quantum states at topological quantum materials ay naging mainit na paksa sa larangan ng condensed matter physics. Bilang isang bagong konsepto ng pag-uuri ng matter, 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 elektronikong istruktura ngmga yugtong kwantum, mga transisyon sa quantum phase at paggulo ng maraming hindi gumagalaw na elemento sa mga quantum phase. Sa mga topological na materyales, ang pagkakabit sa pagitan ng maraming antas ng kalayaan, tulad ng mga electron, phonon at spin, ay gumaganap ng isang mapagpasyang papel sa pag-unawa at pagkontrol sa mga katangian ng materyal. Ang light excitation ay maaaring gamitin upang makilala ang pagkakaiba sa pagitan ng iba't ibang interaksyon at manipulahin ang estado ng materya, at ang impormasyon tungkol sa mga pangunahing pisikal na katangian ng materyal, mga transisyon sa istruktura ng phase, at mga bagong quantum na estado ay maaaring makuha. Sa kasalukuyan, ang ugnayan sa pagitan ng macroscopic na pag-uugali ng mga topological na materyales na hinihimok ng light field at ang kanilang mikroskopikong atomic na istraktura at mga elektronikong katangian ay naging isang layunin ng pananaliksik.
Ang photoelectric response behavior ng mga topological material ay malapit na nauugnay sa mikroskopikong elektronikong istruktura nito. Para sa mga topological semi-metal, ang carrier excitation malapit sa band intersection ay lubos na sensitibo sa mga katangian ng wave function ng sistema. Ang pag-aaral ng mga nonlinear optical phenomena sa mga topological semi-metal ay makakatulong sa atin na mas maunawaan ang mga pisikal na katangian ng mga excited states ng sistema, at inaasahan na ang mga epektong ito ay magagamit sa paggawa ngmga aparatong optikalat 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 isang photon ng pabilog na polarized na liwanag ay magiging sanhi ng pag-ikot ng ikot, at upang matugunan ang konserbasyon ng angular momentum, ang electron excitation sa magkabilang panig ng Weyl cone ay magiging asymmetrically distributed sa direksyon ng pabilog na polarized na paglaganap ng liwanag, na tinatawag na chiral selection rule (Figure 1).
Ang teoretikal na pag-aaral ng mga nonlinear optical phenomena ng mga topological na materyales ay karaniwang gumagamit ng pamamaraan ng pagsasama-sama ng pagkalkula ng mga katangian ng ground state ng materyal at pagsusuri ng symmetry. Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay may ilang mga depekto: kulang ito sa real-time dynamic na impormasyon ng mga excited carrier sa momentum space at real space, at hindi ito makapagtatag ng direktang paghahambing sa time-resolved experimental detection method. Ang coupling 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. Bukod pa rito, ang teoretikal na pagsusuring ito batay sa perturbation theory ay hindi maaaring humarap sa mga pisikal na proseso sa ilalim ng strong light field. Ang time-dependent density functional molecular dynamics (TDDFT-MD) simulation batay sa mga unang prinsipyo ay maaaring malutas ang mga problemang nabanggit.
Kamakailan lamang, sa ilalim ng gabay ng mananaliksik na si Meng Sheng, ng postdoctoral researcher na si Guan Mengxue at ng 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 excited state dynamics simulation software na TDAP. Sinuri ang mga katangian ng tugon ng quastiparticle excitation sa ultrafast laser sa pangalawang uri ng Weyl semi-metal WTe2.
Naipakita na ang selective excitation ng mga carrier malapit sa Weyl point ay natutukoy ng atomic orbital symmetry at transition selection rule, na naiiba sa karaniwang spin selection rule para sa chiral excitation, at ang excitation path nito ay maaaring kontrolin sa pamamagitan ng pagbabago ng polarization direction ng linearly polarized light at photon energy (FIG. 2).
Ang asymmetric excitation ng mga carrier ay nagdudulot ng mga photocurrent sa iba't ibang direksyon sa totoong espasyo, na nakakaapekto sa direksyon at simetriya ng interlayer slip ng sistema. Dahil ang mga topological properties ng WTe2, tulad ng bilang ng mga Weyl point at ang antas ng paghihiwalay sa momentum space, ay lubos na nakadepende sa simetriya ng sistema (Figure 3), ang asymmetric excitation ng mga carrier ay magdudulot ng iba't ibang pag-uugali ng mga Weyl quastiparticles sa momentum space at mga kaukulang pagbabago sa mga topological properties ng sistema. Kaya, ang pag-aaral ay nagbibigay ng isang malinaw na phase diagram para sa mga phototopological phase transition (Figure 4).
Ipinapakita ng mga resulta na dapat bigyang-pansin ang chirality ng carrier excitation malapit sa Weyl point, at dapat suriin ang mga atomic orbital properties ng wave function. Magkatulad ang mga epekto ng dalawa ngunit malinaw na magkaiba ang mekanismo, na nagbibigay ng teoretikal na batayan para ipaliwanag ang singularity ng mga Weyl point. Bukod pa rito, ang computational method na ginamit sa pag-aaral na ito ay maaaring lubos na maunawaan ang mga kumplikadong interaksyon at dynamical behaviors sa atomic at electronic levels sa isang napakabilis na time scale, ibunyag ang kanilang mga microphysical mechanism, at inaasahang magiging isang makapangyarihang kasangkapan para sa pananaliksik sa hinaharap sa mga nonlinear optical phenomena sa mga topological materials.
Ang mga resulta ay nasa journal na Nature Communications. Ang gawaing pananaliksik ay sinusuportahan ng National Key Research and Development Plan, ng National Natural Science Foundation at ng Strategic Pilot Project (Category B) ng Chinese Academy of Sciences.
FIG.1.a. Ang tuntunin sa pagpili ng chirality para sa mga puntong Weyl na may positibong tanda ng chirality (χ=+1) sa ilalim ng pabilog na polarized na liwanag; Selective excitation dahil sa atomic orbital symmetry sa puntong Weyl ng b. χ=+1 sa online polarized na liwanag
FIG. 2. Diagram ng istrukturang atomiko ng a, Td-WTe2; b. Istruktura ng banda malapit sa ibabaw ng Fermi; (c) Istruktura ng banda at mga relatibong kontribusyon ng mga orbital ng atomiko na ipinamamahagi sa matataas na simetrikong linya sa rehiyon ng Brillouin, ang mga arrow (1) at (2) ay kumakatawan sa paggulo malapit o malayo sa mga punto ng Weyl, ayon sa pagkakabanggit; d. Amplipikasyon ng istruktura ng banda sa direksyon ng Gamma-X
FIG.3.ab: Ang relatibong paggalaw sa pagitan ng mga layer ng linearly polarized na direksyon ng polarisasyon ng liwanag sa kahabaan ng A-axis at B-axis ng kristal, at ang katumbas na mode ng paggalaw ay inilalarawan; C. Paghahambing sa pagitan ng teoretikal na simulasyon at eksperimental na obserbasyon; de: Ebolusyon ng simetriya ng sistema at ang posisyon, bilang at antas ng paghihiwalay ng dalawang pinakamalapit na punto ng Weyl sa kz=0 na eroplano
FIG. 4. Phototopological phase transition sa Td-WTe2 para sa linearly polarized light photon energy (?) ω) at polarization direction (θ) dependent phase diagram
Oras ng pag-post: Set-25-2023