Padaryta pažanga tiriant itin greitą Weilio kvazidalelių judėjimą, valdomąlazeriai
Pastaraisiais metais teoriniai ir eksperimentiniai topologinių kvantinių būsenų ir topologinių kvantinių medžiagų tyrimai tapo karšta tema kondensuotųjų medžiagų fizikos srityje. Kaip nauja materijos klasifikavimo koncepcija, 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, kvantiniai faziniai virsmai 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 skirtingoms sąveikoms atskirti ir materijos agregatui manipuliuoti, o tada galima gauti informacijos apie pagrindines medžiagos fizines savybes, struktūrinius fazinius virsmus ir naujas kvantines būsenas. Šiuo metu tyrimų tikslu tapo ryšys tarp topologinių medžiagų makroskopinio elgesio, kurį lemia šviesos laukas, ir jų mikroskopinės atominės struktūros bei elektroninių savybių.
Topologinių medžiagų fotoelektrinio atsako elgsena yra glaudžiai susijusi su jų mikroskopine elektronine struktūra. Topologinių pusmetalų atveju krūvininkų sužadinimas šalia juostų sankirtos yra labai jautrus sistemos banginės funkcijos charakteristikoms. Netiesinių optinių reiškinių topologiniuose pusmetaluose tyrimas gali padėti mums geriau suprasti sistemos sužadintų būsenų fizikines savybes, ir tikimasi, kad šie efektai gali būti panaudoti gaminant...optiniai įrenginiaiir saulės elementų projektavimas, suteikiantis potencialių praktinių pritaikymų ateityje. Pavyzdžiui, Weyl pusmetalyje, sugerus apskritimiškai poliarizuotos šviesos fotoną, sukinys apsiverčia, o siekiant atitikti kampinio momento tvermės dėsnį, elektronų sužadinimas abiejose Weyl kūgio pusėse bus asimetriškai paskirstytas apskritimiškai poliarizuotos šviesos sklidimo kryptimi, tai vadinama chiralinės atrankos taisykle (1 pav.).
Teorinis netiesinių optinių reiškinių, susijusių su topologinėmis medžiagomis, tyrimas paprastai apima medžiagos pagrindinės būsenos savybių skaičiavimo ir simetrijos analizės derinimo metodą. Tačiau šis metodas turi tam tikrų trūkumų: jam trūksta sužadintų krūvininkų dinaminės informacijos realiuoju laiku impulso erdvėje ir realioje erdvėje, be to, jis negali tiesiogiai palyginti su laiko skiriamosios gebos eksperimentiniu aptikimo metodu. Negalima atsižvelgti į elektronų-fononų ir fotonų-fononų sąveiką. O tai yra labai svarbu, kad įvyktų tam tikri faziniai virsmai. Be to, ši teorinė analizė, pagrįsta perturbacijų teorija, negali nagrinėti fizikinių procesų, vykstančių stiprioje šviesos aplinkoje. Pirmiau minėtas problemas gali išspręsti laiko kintančios tankio funkcinės molekulinės dinamikos (TDDFT-MD) modeliavimas, pagrįstas pirmaisiais principais.
Neseniai, vadovaujant tyrėjui Meng Shengui, podoktorantūros tyrėjui Guanui Mengxue ir doktorantui Wang Enui iš Kinijos mokslų akademijos Fizikos instituto / Pekino nacionalinio koncentruotų medžiagų fizikos tyrimų centro SF10 grupės, bendradarbiaujant su Pekino technologijos instituto profesoriumi Sun Jiatao, jie panaudojo savarankiškai sukurtą sužadintos būsenos dinamikos modeliavimo programinę įrangą TDAP. Tiriamos kvastrinių dalelių sužadinimo atsako charakteristikos į itin greitą lazerį antros rūšies Weyl pusmetalyje WTe2.
Įrodyta, kad selektyvų krūvininkų sužadinimą netoli Veilo taško lemia atominės orbitalės simetrija ir perėjimo atrankos taisyklė, kuri skiriasi nuo įprastos sukinių atrankos taisyklės chiraliniam sužadinimui, o jos sužadinimo kelią galima valdyti keičiant tiesiškai poliarizuotos šviesos ir fotonų energijos poliarizacijos kryptį (2 pav.).
Asimetrinis krūvininkų sužadinimas realioje erdvėje sukelia skirtingomis kryptimis sklindančias fotosroves, kurios veikia sistemos tarpsluoksnio slydimo kryptį ir simetriją. Kadangi WTe2 topologinės savybės, tokios kaip Veilo taškų skaičius ir atsiskyrimo laipsnis impulso erdvėje, labai priklauso nuo sistemos simetrijos (3 pav.), asimetrinis krūvininkų sužadinimas sukels skirtingą Veilo kvazidalelių elgesį impulso erdvėje ir atitinkamus sistemos topologinių savybių pokyčius. Taigi, tyrimas pateikia aiškią fototopologinių fazinių virsmų fazių diagramą (4 pav.).
Rezultatai rodo, kad reikėtų atkreipti dėmesį į krūvininkų sužadinimo chiralumą netoli Veilo taško ir analizuoti atominės orbitinės banginės funkcijos savybes. Abiejų efektai yra panašūs, tačiau mechanizmas akivaizdžiai skiriasi, o tai suteikia teorinį pagrindą Veilo taškų singuliarumui paaiškinti. Be to, šiame tyrime taikytas skaičiavimo metodas gali giliai suprasti sudėtingas sąveikas ir dinaminį elgesį atominiame ir elektroniniame lygmenyse itin greitu laiko mastu, atskleisti jų mikrofizikinius mechanizmus ir tikimasi, kad jis bus galingas įrankis būsimiems netiesinių optinių reiškinių topologinėse medžiagose tyrimams.
Rezultatai paskelbti žurnale „Nature Communications“. Mokslinį darbą remia Nacionalinis pagrindinių mokslinių tyrimų ir plėtros planas, Nacionalinis gamtos mokslų fondas ir Kinijos mokslų akademijos strateginis bandomasis projektas (B kategorija).
1.a pav. Chiralumo atrankos taisyklė Weyl taškams su teigiamu chiralumo ženklu (χ = +1) apskritimiškai poliarizuotoje šviesoje; Selektyvus sužadinimas dėl atominės orbitalės simetrijos Weyl taške b. χ = +1 tiesioginėje poliarizuotoje šviesoje
2 PAV. a) Td-WTe2 atominės struktūros diagrama; b) Juostų struktūra šalia Fermio paviršiaus; (c) Juostų struktūra ir atominių orbitalių, pasiskirstiusių išilgai aukštų simetrinių linijų Briljuino srityje, santykinis indėlis, rodyklės (1) ir (2) atitinkamai rodo sužadinimą arti arba toli nuo Veilo taškų; d) Juostų struktūros amplifikacija gama-X kryptimi
3.ab pav.: Pavaizduotas tiesiškai poliarizuotos šviesos poliarizacijos krypties santykinis tarpsluoksninis judėjimas išilgai kristalo A ir B ašių ir atitinkamas judėjimo būdas; C. Teorinio modeliavimo ir eksperimentinio stebėjimo palyginimas; de: Sistemos simetrijos evoliucija ir dviejų artimiausių Weyl taškų padėtis, skaičius ir atsiskyrimo laipsnis kz=0 plokštumoje.
4 pav. Fototopologinis fazinis virsmas Td-WTe₂ terpėje, kai šviesos fotonų energija (θ) ir poliarizacijos kryptis (θ) priklauso nuo fazių diagramos.
Įrašo laikas: 2023 m. rugsėjo 25 d.