Progreso estis farita en la studo de ultrarapida moviĝo de Weil-kvasipartikloj kontrolitaj perlaseroj
En la lastaj jaroj, la teoria kaj eksperimenta esplorado pri topologiaj kvantumstatoj kaj topologiaj kvantummaterialoj fariĝis varmega temo en la kampo de kondensita materiofiziko. Kiel nova koncepto pri materioklasifiko, topologia ordo, same kiel simetrio, estas fundamenta koncepto en kondensita materiofiziko. Profunda kompreno de topologio rilatas al la bazaj problemoj en kondensita materiofiziko, kiel ekzemple la baza elektronika strukturo de...kvantumfazoj, kvantumaj faztransiroj kaj ekscito de multaj senmovigitaj elementoj en kvantumaj fazoj. En topologiaj materialoj, la kuplado inter multaj gradoj de libereco, kiel elektronoj, fononoj kaj spino, ludas decidan rolon en kompreno kaj reguligo de materialaj ecoj. Lum-ekscito povas esti uzata por distingi inter malsamaj interagoj kaj manipuli la staton de materio, kaj tiam oni povas akiri informojn pri la bazaj fizikaj ecoj de la materialo, strukturaj faztransiroj kaj novaj kvantumaj statoj. Nuntempe, la rilato inter makroskopa konduto de topologiaj materialoj pelataj de lumkampo kaj ilia mikroskopa atomstrukturo kaj elektronikaj ecoj fariĝis esplora celo.
La fotoelektra respondokonduto de topologiaj materialoj estas proksime rilata al ĝia mikroskopa elektronika strukturo. Por topologiaj duonmetaloj, la ekscito de portanto proksime al la intersekco de la bendoj estas tre sentema al la ondfunkciaj karakterizaĵoj de la sistemo. La studo de nelinearaj optikaj fenomenoj en topologiaj duonmetaloj povas helpi nin pli bone kompreni la fizikajn ecojn de la ekscititaj statoj de la sistemo, kaj oni atendas, ke ĉi tiuj efikoj povas esti uzataj en la fabrikado deoptikaj aparatojkaj la dezajno de sunĉeloj, provizante eblajn praktikajn aplikojn en la estonteco. Ekzemple, en duonmetalo de Weyl, la absorbo de fotono de cirkle polarigita lumo kaŭzos la renversiĝon de la spino, kaj por plenumi la principon de konservo de angula movokvanto, la elektrona ekscito ambaŭflanke de la konuso de Weyl estos malsimetrie distribuita laŭ la direkto de la cirkle polarigita lumdisvastiĝo, kio nomiĝas la kirala selektregulo (Figuro 1).
La teoria studo de nelinearaj optikaj fenomenoj de topologiaj materialoj kutime uzas la metodon kombinantan la kalkuladon de materialaj bazstataj ecoj kaj simetrianalizon. Tamen, ĉi tiu metodo havas kelkajn difektojn: al ĝi mankas realtempaj dinamikaj informoj pri ekscititaj portantoj en momentumspaco kaj reala spaco, kaj ĝi ne povas establi rektan komparon kun la temp-solvita eksperimenta detektometodo. La kuplado inter elektrono-fononoj kaj fotono-fononoj ne povas esti konsiderata. Kaj ĉi tio estas decida por ke certaj faztransiroj okazu. Krome, ĉi tiu teoria analizo bazita sur perturba teorio ne povas trakti la fizikajn procezojn sub forta lumkampo. La temp-dependa denseca funkcia molekula dinamiko (TDDFT-MD) simulado bazita sur unuaj principoj povas solvi la supre menciitajn problemojn.
Lastatempe, sub la gvido de esploristo Meng Sheng, postdoktora esploristo Guan Mengxue kaj doktora studento Wang En de la SF10-Grupo de la Ŝtata Ŝlosila Laboratorio pri Surfaca Fiziko de la Instituto de Fiziko de la Ĉina Akademio de Sciencoj/Pekina Nacia Esplorcentro por Fiziko de Koncentrita Materio, en kunlaboro kun Profesoro Sun Jiatao de la Pekina Instituto de Teknologio, ili uzis la mem-disvolvitan programaron por simulado de ekscititaj statodinamikoj TDAP. La respondaj karakterizaĵoj de kvazaŭpartikla ekscito al ultrarapida lasero en la dua speco de Weyl-duonmetalo WTe2 estas esplorataj.
Estis montrite, ke la selektema ekscito de portantoj proksime de la punkto de Weyl estas determinita per atomorbita simetrio kaj transira selektregulo, kiu diferencas de la kutima spina selektregulo por kirala ekscito, kaj ĝia ekscita vojo povas esti kontrolita per ŝanĝo de la polariza direkto de linie polarigita lumo kaj fotona energio (FIG. 2).
La nesimetria ekscito de portantoj induktas fotokurentojn en malsamaj direktoj en reala spaco, kio influas la direkton kaj simetrion de la intertavola glitado de la sistemo. Ĉar la topologiaj ecoj de WTe2, kiel la nombro de Weyl-punktoj kaj la grado de apartigo en la momentumspaco, estas tre dependaj de la simetrio de la sistemo (Figuro 3), la nesimetria ekscito de portantoj kaŭzos malsaman konduton de Weyl-kvastipartikloj en la momentumspaco kaj respondajn ŝanĝojn en la topologiaj ecoj de la sistemo. Tiel, la studo provizas klaran fazodiagramon por fototopologiaj faztransiroj (Figuro 4).
La rezultoj montras, ke oni devas atenti la kiralecon de ekscito de portantoj proksime al la punkto de Weyl, kaj analizi la atomajn orbitalajn ecojn de la ondfunkcio. La efikoj de la du estas similaj, sed la mekanismo estas evidente malsama, kio provizas teorian bazon por klarigi la neordinaraĵon de punktoj de Weyl. Krome, la komputila metodo adoptita en ĉi tiu studo povas profunde kompreni la kompleksajn interagojn kaj dinamikajn kondutojn je la atomaj kaj elektronikaj niveloj en superrapida temposkalo, malkaŝi iliajn mikrofizikajn mekanismojn, kaj estas atendata esti potenca ilo por estonta esplorado pri nelinearaj optikaj fenomenoj en topologiaj materialoj.
La rezultoj estas en la revuo Nature Communications. La esplorlaboron subtenas la Nacia Ŝlosila Esploro kaj Disvolva Plano, la Nacia Naturscienca Fonduso kaj la Strategia Pilota Projekto (Kategorio B) de la Ĉina Akademio de Sciencoj.
FIG.1.a. La regulo pri elekto de kiraleco por punktoj de Weyl kun pozitiva kiraleca signo (χ=+1) sub cirkle polarigita lumo; Selekta ekscito pro atomorbita simetrio ĉe la punkto de Weyl de b. χ=+1 en retan polarigitan lumon
FIG. 2. Diagramo de atomstrukturo de a, Td-WTe2; b. Bendstrukturo proksime al la Fermi-surfaco; (c) Bendstrukturo kaj relativaj kontribuoj de atomorbitaloj distribuitaj laŭlonge de altsimetriaj linioj en la Brillouin-regiono, sagoj (1) kaj (2) reprezentas ekscitiĝon proksime aŭ malproksime de Weyl-punktoj, respektive; d. Amplifiĝo de bendstrukturo laŭ la Gamma-X-direkto
FIG.3.ab: La relativa intertavola movado de linie polarigita lumpolariga direkto laŭ la A-akso kaj B-akso de la kristalo, kaj la koresponda movadreĝimo estas ilustritaj; C. Komparo inter teoria simulado kaj eksperimenta observado; de: Simetria evoluo de la sistemo kaj la pozicio, nombro kaj grado de apartigo de la du plej proksimaj Weyl-punktoj en la ebeno kz=0
FIG. 4. Fototopologia faztransiro en Td-WTe2 por linie polarigita lumfotona energio (?) ω) kaj polariga direkto (θ) dependanta de fazodiagramo
Afiŝtempo: 25-a de septembro 2023