Se avanza en el estudio del movimiento ultrarrápido de cuasipartículas de Weil controlado por láseres

Se han logrado avances en el estudio del movimiento ultrarrápido de cuasipartículas de Weil controlado porláseres

En los últimos años, la investigación teórica y experimental sobre estados cuánticos topológicos y materiales cuánticos topológicos se ha convertido en un tema candente en el campo de la física de la materia condensada. Como nuevo concepto de clasificación de la materia, el orden topológico, al igual que la simetría, es un concepto fundamental en la física de la materia condensada. Una comprensión profunda de la topología está relacionada con los problemas básicos de la física de la materia condensada, como la estructura electrónica básica defases cuánticas, transiciones de fase cuántica y excitación de muchos elementos inmovilizados en fases cuánticas. En los materiales topológicos, el acoplamiento entre muchos grados de libertad, como electrones, fonones y espín, juega un papel decisivo en la comprensión y regulación de las propiedades de los materiales. La excitación de la luz se puede utilizar para distinguir entre diferentes interacciones y manipular el estado de la materia, y luego se puede obtener información sobre las propiedades físicas básicas del material, las transiciones de fase estructurales y nuevos estados cuánticos. En la actualidad, la relación entre el comportamiento macroscópico de materiales topológicos impulsados ​​por campos luminosos y su estructura atómica microscópica y propiedades electrónicas se ha convertido en un objetivo de investigación.

El comportamiento de la respuesta fotoeléctrica de los materiales topológicos está estrechamente relacionado con su estructura electrónica microscópica. Para los semimetales topológicos, la excitación de la portadora cerca de la intersección de la banda es altamente sensible a las características de la función de onda del sistema. El estudio de fenómenos ópticos no lineales en semimetales topológicos puede ayudarnos a comprender mejor las propiedades físicas de los estados excitados del sistema, y ​​se espera que estos efectos puedan utilizarse en la fabricación dedispositivos ópticosy el diseño de células solares, proporcionando posibles aplicaciones prácticas en el futuro. Por ejemplo, en un semimetal de Weyl, absorber un fotón de luz polarizada circularmente hará que el espín se invierta y, para cumplir con la conservación del momento angular, la excitación de los electrones en ambos lados del cono de Weyl se distribuirá asimétricamente a lo largo de la dirección de propagación de la luz polarizada circularmente, lo que se denomina regla de selección quiral (Figura 1).

El estudio teórico de los fenómenos ópticos no lineales de materiales topológicos suele adoptar el método de combinar el cálculo de las propiedades del estado fundamental del material y el análisis de simetría. Sin embargo, este método tiene algunos defectos: carece de información dinámica en tiempo real de los portadores excitados en el espacio de momento y en el espacio real, y no puede establecer una comparación directa con el método de detección experimental resuelto en el tiempo. No se puede considerar el acoplamiento entre electrones-fonones y fotones-fonones. Y esto es crucial para que se produzcan determinadas transiciones de fase. Además, este análisis teórico basado en la teoría de las perturbaciones no puede abordar los procesos físicos bajo un campo luminoso intenso. La simulación de dinámica molecular funcional de densidad dependiente del tiempo (TDDFT-MD) basada en primeros principios puede resolver los problemas anteriores.

Recientemente, bajo la dirección del investigador Meng Sheng, el investigador postdoctoral Guan Mengxue y el estudiante de doctorado Wang En del Grupo SF10 del Laboratorio Estatal Clave de Física de Superficies del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China/Centro Nacional de Investigación de Materia Concentrada de Beijing Física, en colaboración con el profesor Sun Jiatao del Instituto de Tecnología de Beijing, utilizaron el software de simulación de dinámica de estados excitados TDAP, de desarrollo propio. Se investigan las características de respuesta de la excitación de cuasipartículas al láser ultrarrápido en el segundo tipo de semimetal WTe2 de Weyl.

Se ha demostrado que la excitación selectiva de los portadores cerca del punto de Weyl está determinada por la simetría de los orbitales atómicos y la regla de selección de transición, que es diferente de la regla de selección de espín habitual para la excitación quiral, y su trayectoria de excitación se puede controlar cambiando la dirección de polarización. de luz linealmente polarizada y energía de fotones (FIG. 2).

La excitación asimétrica de los portadores induce fotocorrientes en diferentes direcciones en el espacio real, lo que afecta la dirección y simetría del deslizamiento entre capas del sistema. Dado que las propiedades topológicas de WTe2, como el número de puntos de Weyl y el grado de separación en el espacio de momento, dependen en gran medida de la simetría del sistema (Figura 3), la excitación asimétrica de los portadores provocará un comportamiento diferente de Weyl. cuasipartículas en el espacio de momento y los correspondientes cambios en las propiedades topológicas del sistema. Por lo tanto, el estudio proporciona un diagrama de fase claro para las transiciones de fase fototopológicas (Figura 4).

Los resultados muestran que se debe prestar atención a la quiralidad de la excitación del portador cerca del punto de Weyl y se deben analizar las propiedades orbitales atómicas de la función de onda. Los efectos de los dos son similares pero el mecanismo es obviamente diferente, lo que proporciona una base teórica para explicar la singularidad de los puntos de Weyl. Además, el método computacional adoptado en este estudio puede comprender profundamente las interacciones complejas y los comportamientos dinámicos a nivel atómico y electrónico en una escala de tiempo súper rápida, revelar sus mecanismos microfísicos y se espera que sea una herramienta poderosa para futuras investigaciones sobre Fenómenos ópticos no lineales en materiales topológicos.

Los resultados están en la revista Nature Communications. El trabajo de investigación cuenta con el apoyo del Plan Nacional Clave de Investigación y Desarrollo, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales y el Proyecto Piloto Estratégico (Categoría B) de la Academia de Ciencias de China.

FIG.1.a. La regla de selección de quiralidad para puntos de Weyl con signo de quiralidad positiva (χ=+1) bajo luz polarizada circularmente; Excitación selectiva debido a la simetría de los orbitales atómicos en el punto Weyl de b. χ=+1 en luz polarizada en línea

HIGO. 2. Diagrama de estructura atómica de a, Td-WTe2; b. Estructura de bandas cerca de la superficie de Fermi; (c) Estructura de bandas y contribuciones relativas de los orbitales atómicos distribuidos a lo largo de líneas altamente simétricas en la región de Brillouin; las flechas (1) y (2) representan la excitación cerca o lejos de los puntos de Weyl, respectivamente; d. Amplificación de la estructura de bandas a lo largo de la dirección Gamma-X.

FIG.3.ab: Se ilustra el movimiento relativo entre capas de la dirección de polarización de la luz polarizada linealmente a lo largo del eje A y el eje B del cristal, y el modo de movimiento correspondiente; C. Comparación entre simulación teórica y observación experimental; de: Evolución de la simetría del sistema y posición, número y grado de separación de los dos puntos de Weyl más cercanos en el plano kz=0

HIGO. 4. Transición de fase fototopológica en Td-WTe2 para diagrama de fase dependiente de la energía del fotón de luz polarizada linealmente (?) ω) y la dirección de polarización (θ)