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 las 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 de gran interés 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 problemas básicos de la física de la materia condensada, como la estructura electrónica fundamental defases cuánticasLas transiciones de fase cuánticas y la excitación de numerosos elementos inmovilizados en fases cuánticas son objeto de estudio en materiales topológicos. El acoplamiento entre múltiples grados de libertad, como electrones, fonones y espín, desempeña un papel decisivo en la comprensión y regulación de las propiedades del material. La excitación mediante luz permite distinguir entre diferentes interacciones y manipular el estado de la materia, obteniéndose 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 inducido por un campo de luz y su estructura atómica microscópica y propiedades electrónicas se ha convertido en un objetivo de investigación.

El comportamiento de respuesta fotoeléctrica de los materiales topológicos está estrechamente relacionado con su estructura electrónica microscópica. En los semimetales topológicos, la excitación de portadores cerca de la intersección de bandas es altamente 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 puedan utilizarse en la fabricación dedispositivos ópticosy el diseño de células solares, lo que ofrece posibles aplicaciones prácticas en el futuro. Por ejemplo, en un semimetal de Weyl, la absorción de un fotón de luz polarizada circularmente provoca un cambio de espín y, para cumplir con la conservación del momento angular, la excitación electrónica a ambos lados del cono de Weyl se distribuye 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 los materiales topológicos suele emplear un método que combina el cálculo de las propiedades del estado fundamental del material con el análisis de simetría. Sin embargo, este método presenta algunas deficiencias: carece de información dinámica en tiempo real de los portadores excitados tanto en el espacio de momentos como en el espacio real, y no permite una comparación directa con el método de detección experimental con resolución temporal. Además, no considera el acoplamiento entre electrones y fonones, ni entre fotones y fonones, lo cual es crucial para que se produzcan ciertas transiciones de fase. Por otra parte, este análisis teórico, basado en la teoría de perturbaciones, no puede abordar los procesos físicos que ocurren bajo la acción de un campo de luz intenso. La simulación de dinámica molecular funcional de la densidad dependiente del tiempo (TDDFT-MD), basada en primeros principios, permite resolver estos problemas.

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 China de Ciencias/Centro Nacional de Investigación de Física de la Materia Concentrada de Beijing, en colaboración con el profesor Sun Jiatao del Instituto Tecnológico de Beijing, utilizaron el software de simulación de dinámica de estados excitados TDAP, desarrollado internamente. Se investigaron las características de respuesta de la excitación de cuasipartículas mediante láser ultrarrápido en el semimetal de Weyl de segundo tipo WTe₂.

Se ha demostrado que la excitación selectiva de portadores cerca del punto de Weyl está determinada por la simetría del orbital atómico 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 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 del WTe₂, como el número de puntos de Weyl y el grado de separación en el espacio de momentos, dependen en gran medida de la simetría del sistema (Figura 3), la excitación asimétrica de portadores provocará un comportamiento diferente de las cuastipartículas de Weyl en el espacio de momentos y los correspondientes cambios en las propiedades topológicas del sistema. Por lo tanto, este 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 de portadores cerca del punto de Weyl y que se deben 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 complejas interacciones 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. Esta 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 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 debida a la simetría orbital atómica en el punto de Weyl de b. χ=+1 en luz polarizada linealmente

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