Se han logrado avances en el estudio del movimiento ultrarrápido de cuasipartículas de Weil controladas por láseres.

Se han logrado avances en el estudio del movimiento ultrarrápido de cuasipartículas de Weil controladas 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 de...fases cuánticasTransiciones de fase cuánticas y excitación de numerosos elementos inmovilizados en fases cuánticas. En materiales topológicos, el acoplamiento entre numerosos grados de libertad, como electrones, fonones y espín, desempeña un papel decisivo en la comprensión y regulación de las propiedades de los materiales. La excitación lumínica permite distinguir entre diferentes interacciones y manipular el estado de la materia, obteniendo así información sobre las propiedades físicas básicas del material, las transiciones de fase estructurales y los nuevos estados cuánticos. Actualmente, la relación entre el comportamiento macroscópico de los materiales topológicos impulsados ​​por el campo de luz y su estructura atómica y propiedades electrónicas microscópicas 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. En el caso de los semimetales topológicos, la excitación del portador cerca de la intersección de las bandas es muy sensible a las características de la función de onda del sistema. El estudio de los 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 se puedan utilizar en la fabricación de...dispositivos ópticosy el diseño de células solares, con posibles aplicaciones prácticas en el futuro. Por ejemplo, en un semimetal de Weyl, la absorción de un fotón de luz polarizada circularmente provocará una inversión del espín. Para cumplir con la conservación del momento angular, la excitación electrónica a 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 presenta algunas deficiencias: 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 con resolución temporal. No se puede considerar el acoplamiento entre electrón-fonones y fotón-fonones, lo cual es crucial para que se produzcan ciertas transiciones de fase. Además, este análisis teórico basado en la teoría de perturbaciones no puede abordar los procesos físicos bajo un campo de luz intenso. La simulación de dinámica molecular funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT-MD), basada en primeros principios, puede resolver los problemas mencionados.

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 Física de Materia Concentrada de Pekín, en colaboración con el profesor Sun Jiatao del Instituto de Tecnología de Pekín, utilizaron el software de simulación de dinámica de estados excitados TDAP, de desarrollo propio. Se investigaron las características de respuesta de la excitación de cuasipartículas al láser ultrarrápido en el segundo tipo de semimetal de Weyl, WTe₂.

Se ha demostrado que la excitación selectiva de los portadores cerca del punto de Weyl está determinada por la simetría orbital atómica 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 la luz polarizada linealmente y la energía del fotón (FIG. 2).

La excitación asimétrica de los portadores induce fotocorrientes en diferentes direcciones en el espacio real, lo que afecta la dirección y la simetría del deslizamiento intercapa 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 las cuasipartículas de Weyl en el espacio de momento y los correspondientes cambios en las propiedades topológicas del sistema. Por lo tanto, el estudio proporciona un diagrama de fases 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 analizar las propiedades orbitales atómicas de la función de onda. Los efectos de ambos son similares, pero el mecanismo es claramente diferente, lo que proporciona una base teórica para explicar la singularidad de los puntos de Weyl. Además, el método computacional adoptado en este estudio permite comprender en profundidad las interacciones complejas y los comportamientos dinámicos a nivel atómico y electrónico en una escala de tiempo ultrarrápida, 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 se publican en la revista Nature Communications. La investigación cuenta con el apoyo del Plan Nacional de Investigación y Desarrollo Clave, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales y el Proyecto Piloto Estratégico (Categoría B) de la Academia China de Ciencias.

FIG.1.a. Regla de selección de quiralidad para puntos de Weyl con signo de quiralidad positivo (χ=+1) bajo luz polarizada circularmente; excitación selectiva debido a la simetría orbital atómica en el punto de Weyl de b. χ=+1 en luz polarizada en línea.

FIG. 2. Diagrama de la 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 de alta simetría 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 de los ejes A y B del cristal, y el modo de movimiento correspondiente. C. Comparación entre la simulación teórica y la observación experimental. de: Evolución de la simetría del sistema y la posición, el número y el grado de separación de los dos puntos de Weyl más cercanos en el plano kz=0.

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