Se ha realizado progresos en el estudio del movimiento ultrarrápido de cuasipartículas de Weil controladas porláser
En los últimos años, la investigación teórica y experimental sobre los estados cuánticos topológicos y los materiales cuánticos topológicos se ha convertido en un tema candente en el campo de la física de la materia condensada. Como un nuevo concepto de clasificación de materia, el orden topológico, como 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 en 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 materiales topológicos, el acoplamiento entre muchos grados de libertad, como electrones, fonones y giro, juega un papel decisivo en la comprensión y la regulación de las propiedades del material. La excitación de la luz se puede utilizar para distinguir entre diferentes interacciones y manipular el estado de la materia, y se pueden obtener información sobre las propiedades físicas básicas del material, las transiciones de fase estructural y los nuevos estados cuánticos. En la actualidad, la relación entre el comportamiento macroscópico de los materiales topológicos impulsados por el campo de la luz y su estructura atómica microscópica y las 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. Para los semi-metales topológicos, la excitación del portador cerca de la intersección de la banda es altamente sensible a las características de la función de onda del sistema. El estudio de los fenómenos ópticos no lineales en semi-metales topológicos puede ayudarnos a comprender mejor las propiedades físicas de los estados excitados del sistema, y se espera que estos efectos puedan usarse en la fabricación de la fabricación dedispositivos ópticosy el diseño de células solares, proporcionando posibles aplicaciones prácticas en el futuro. Por ejemplo, en un semi-metal de Weyl, la absorción de un fotón de luz polarizada circularmente hará que el giro voltee, y para cumplir con la conservación del momento angular, la excitación de electrones en ambos lados del cono de weyl se distribuirá asimétricamente a lo largo de la dirección de la propagación de luz polarizada circularmente, que se llama la regla de selección quiral (Figura 1).
El estudio teórico de los fenómenos ópticos no lineales de los materiales topológicos generalmente adopta el método para 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 la información dinámica en tiempo real de los portadores excitados en el espacio de momento y 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 los fonones de electrones y los fotones-fonones. Y esto es crucial para que ocurran ciertas transiciones de fase. Además, este análisis teórico basado en la teoría de la perturbación no puede tratar los procesos físicos bajo el fuerte campo de la luz. La simulación de dinámica molecular funcional de densidad dependiente del tiempo (TDDFT-MD) basada en los primeros principios puede resolver los problemas anteriores.
Recientemente, bajo la guía del investigador Meng Sheng, el investigador postdoctoral Guan Mengxue y el estudiante de doctorado Wang en del grupo SF10 del Laboratorio Estatal de Física de la Surdalia del Instituto de Física de la Academia China de la Academia de Ciencias/Centro Nacional de Investigación de Beijing para la Física Concentrada de la Mantela, en la colaboración de la Dinina del Estado, en la Dinina del Estado de la Auto-Conjunto de la Simulación, el Simulación de la Simulación de la autovoltualidad, se incluyó en la Dinina de la Dinina del Estado, en la colaboración de la Dinina del Estado de la Simulación, se usan a la Simulación de la autovelocación de la autovelocación. Software TDAP. Se investigan las características de respuesta de la excitación de quastipartícula al láser ultrarrápido en el segundo tipo de WEYL semi-metal WTE2.
Se ha demostrado que la excitación selectiva de 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 giro habitual para la excitación quiral, y su ruta de excitación puede controlarse cambiando la dirección de polarización de la energía lineal y la 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 la 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 impulso, dependen en gran medida de la simetría del sistema (Figura 3), la excitación asimétrica de los portadores provocará diferentes comportamientos de las quastiparticículas de Weyl en el espacio de momento y los cambios correspondientes en las propiedades topológicas del sistema. Por lo tanto, el estudio proporciona un diagrama de fase claro para las transiciones de fase fototopológica (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 los niveles atómicos y electrónicos 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 es apoyado por el Plan Nacional de Investigación y Desarrollo Clave, la Fundación Nacional de Ciencias Naturales y el Proyecto Pilotado Estratégico (Categoría B) de la Academia de Ciencias de China.
Fig.1.A. La regla de selección de quiralidad para los puntos de weyl con signo de quiralidad positivo (χ =+1) bajo luz circularmente polarizada; Excitación selectiva debido a la simetría orbital atómica en el punto de weyl de b. χ =+1 en la luz polarizada en línea
HIGO. 2. Diagrama de estructura atómica de A, TD-WTE2; b. Estructura de banda cerca de la superficie de Fermi; (c) Estructura de banda y contribuciones relativas de orbitales atómicos distribuidos a lo largo de líneas simétricas altas en la región de Brillouin, las flechas (1) y (2) representan una excitación cerca o lejos de los puntos de Weyl, respectivamente; d. Amplificación de la estructura de la banda a lo largo de la dirección de Gamma-X
Fig.3.ab: El movimiento relativo entre capas de la dirección de polarización de luz polarizada linealmente a lo largo del eje A y el eje B del cristal, y se ilustra el modo de movimiento correspondiente; C. Comparación entre simulación teórica y observación experimental; DE: Evolución de simetría del sistema y la 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 la energía de la luz de luz polarizada linealmente (?) Ω) y la dirección de polarización (θ) Diagrama de fase dependiente
Tiempo de publicación: septiembre 25-2023