Padaryta pažanga tiriant itin greitą Weil kvazidalelių judėjimą, valdomą lazeriais

Padaryta pažanga tiriant itin greitą Weil kvazidalelių judėjimą, kurį kontroliuojalazeriai

Pastaraisiais metais teoriniai ir eksperimentiniai topologinių kvantinių būsenų ir topologinių kvantinių medžiagų tyrimai tapo karšta tema kondensuotųjų medžiagų fizikos srityje. Kaip nauja materijos klasifikavimo samprata, topologinė tvarka, kaip ir simetrija, yra pagrindinė kondensuotųjų medžiagų fizikos sąvoka. Gilus topologijos supratimas yra susijęs su pagrindinėmis kondensuotųjų medžiagų fizikos problemomis, tokiomis kaip pagrindinė elektroninė struktūra.kvantinės fazės, kvantinių fazių perėjimai ir daugelio imobilizuotų elementų sužadinimas kvantinėse fazėse. Topologinėse medžiagose daugelio laisvės laipsnių, tokių kaip elektronai, fononai ir sukinys, ryšys vaidina lemiamą vaidmenį suprantant ir reguliuojant medžiagų savybes. Šviesos sužadinimas gali būti naudojamas atskirti skirtingas sąveikas ir manipuliuoti medžiagos būsena, o tada galima gauti informacijos apie pagrindines medžiagos fizines savybes, struktūrinius fazių perėjimus ir naujas kvantines būsenas. Šiuo metu tyrimo tikslu tapo ryšys tarp šviesos lauko skatinamų topologinių medžiagų makroskopinio elgesio ir jų mikroskopinės atominės struktūros bei elektroninių savybių.

Topologinių medžiagų fotoelektrinės reakcijos elgesys yra glaudžiai susijęs su jų mikroskopine elektronine struktūra. Topologiniams pusmetalams nešiklio sužadinimas šalia juostos sankirtos yra labai jautrus sistemos bangų funkcijos charakteristikoms. Netiesinių optinių reiškinių topologiniuose pusmetaliuose tyrimas gali padėti mums geriau suprasti sistemos sužadintų būsenų fizines savybes ir tikimasi, kad šie efektai gali būti panaudoti gaminantoptiniai prietaisaiir saulės elementų projektavimas, suteikiantis galimą praktinį pritaikymą ateityje. Pavyzdžiui, Weylio pusmetalyje, sugeriant cirkuliariai poliarizuotos šviesos fotoną, sukimasis pasisuks, o siekiant išlaikyti kampinį impulsą, elektronų sužadinimas abiejose Weylio kūgio pusėse bus asimetriškai paskirstytas. cirkuliariai poliarizuotos šviesos sklidimo kryptis, kuri vadinama chiralinės atrankos taisykle (1 pav.).

Topologinių medžiagų netiesinių optinių reiškinių teoriniam tyrimui dažniausiai taikomas medžiagų pagrindų savybių skaičiavimo ir simetrijos analizės derinimo metodas. Tačiau šis metodas turi tam tikrų trūkumų: jam trūksta sužadintų nešėjų realiu laiku dinaminės informacijos impulsų erdvėje ir realioje erdvėje ir jis negali tiesiogiai palyginti su laiko skiriamu eksperimentiniu aptikimo metodu. Ryšys tarp elektronų-fononų ir fotonų-fononų negali būti svarstomas. Ir tai yra labai svarbu tam tikriems fazių perėjimams. Be to, ši perturbacijos teorija pagrįsta teorinė analizė negali susidoroti su fiziniais procesais esant stipriam šviesos laukui. Nuo laiko priklausomas tankio funkcinės molekulinės dinamikos (TDDFT-MD) modeliavimas, pagrįstas pirmaisiais principais, gali išspręsti minėtas problemas.

Neseniai, vadovaujant mokslininkui Meng Sheng, podoktorantas Guan Mengxue ir doktorantas Wang Enas iš Kinijos mokslų akademijos Fizikos instituto / Pekino nacionalinio koncentruotųjų medžiagų tyrimų centro SF10 grupės. Fizikai, bendradarbiaudami su Pekino technologijos instituto profesoriumi Sun Jiatao, jie panaudojo pačių sukurtą sužadintos būsenos dinamikos modeliavimo programinę įrangą TDAP. Ištirtos kvastidalelių sužadinimo į itin greitą lazerį antrojo tipo Weyl pusmetaliniame WTe2 charakteristikos.

Buvo įrodyta, kad selektyvų nešėjų sužadinimą šalia Weyl taško lemia atominės orbitos simetrija ir perėjimo pasirinkimo taisyklė, kuri skiriasi nuo įprastos chiralinio sužadinimo sukinio atrankos taisyklės, o jos sužadinimo kelią galima valdyti keičiant poliarizacijos kryptį. tiesiškai poliarizuotos šviesos ir fotonų energijos (2 pav.).

Asimetriškas nešėjų sužadinimas realioje erdvėje sukelia fotosroves skirtingomis kryptimis, o tai turi įtakos sistemos tarpsluoksnio slydimo krypčiai ir simetrijai. Kadangi WTe2 topologinės savybės, tokios kaip Weylio taškų skaičius ir atskyrimo laipsnis impulso erdvėje, labai priklauso nuo sistemos simetrijos (3 pav.), asimetrinis nešėjų sužadinimas sukels skirtingą Weyl elgesį. kvastidalelės impulsų erdvėje ir atitinkami topologinių sistemos savybių pokyčiai. Taigi tyrime pateikiama aiški fototopologinių fazių perėjimų fazių diagrama (4 pav.).

Rezultatai rodo, kad reikia atkreipti dėmesį į nešiklio sužadinimo chiralumą netoli Weyl taško ir išanalizuoti bangų funkcijos atomines orbitines savybes. Jų poveikis yra panašus, tačiau mechanizmas akivaizdžiai skiriasi, o tai suteikia teorinį pagrindą paaiškinti Weyl taškų išskirtinumą. Be to, šiame tyrime priimtas skaičiavimo metodas gali labai greitai suprasti sudėtingas sąveikas ir dinaminį elgesį atominiame ir elektroniniame lygmenyse, atskleisti jų mikrofizinius mechanizmus ir, kaip tikimasi, bus galinga priemonė būsimiems tyrimams netiesiniai optiniai reiškiniai topologinėse medžiagose.

Rezultatai yra žurnale Nature Communications. Tyrimo darbus remia Nacionalinis pagrindinių tyrimų ir plėtros planas, Nacionalinis gamtos mokslų fondas ir Kinijos mokslų akademijos strateginis bandomasis projektas (B kategorija).

Fig.1.a. Chiralumo atrankos taisyklė Weylio taškams su teigiamu chiralumo ženklu (χ=+1) esant cirkuliariai poliarizuotai šviesai; Atrankinis sužadinimas dėl atominės orbitos simetrijos b Weyl taške. χ = +1 poliarizuotoje šviesoje

Fig. 2. A, Td-WTe2 atominės struktūros diagrama; b. Juostos struktūra šalia Fermi paviršiaus; c) juostos struktūra ir santykinis atominių orbitalių, paskirstytų pagal aukštas simetriškas linijas Brillouin regione, indėlis, rodyklės (1) ir (2) reiškia sužadinimą, esantį arti arba toli nuo Weyl taškų; d. Juostos struktūros stiprinimas Gama-X kryptimi

Fig.3.ab: Pavaizduotas santykinis tiesiškai poliarizuotos šviesos poliarizacijos krypties tarpsluoksnis judėjimas išilgai kristalo A ir B ašių bei atitinkamas judėjimo režimas; C. Teorinio modeliavimo ir eksperimentinio stebėjimo palyginimas; de: sistemos simetrinė raida ir dviejų artimiausių Weyl taškų padėtis, skaičius ir atskyrimo laipsnis kz=0 plokštumoje

Fig. 4. Fototopologinis fazinis perėjimas Td-WTe2 tiesiškai poliarizuotai šviesos fotono energijai (?) ω) ir poliarizacijos kryptimi (θ) priklausoma fazių diagrama