Έχει σημειωθεί πρόοδος στη μελέτη της υπερταχείας κίνησης των οιονεί σωματιδίων Weil που ελέγχονται από λέιζερ

Έχει σημειωθεί πρόοδος στη μελέτη της υπερταχείας κίνησης των οιονεί σωματιδίων Weil που ελέγχονται απόλέιζερ

Τα τελευταία χρόνια, η θεωρητική και πειραματική έρευνα για τις τοπολογικές κβαντικές καταστάσεις και τα τοπολογικά κβαντικά υλικά έχει γίνει ένα καυτό θέμα στο πεδίο της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης. Ως νέα έννοια της ταξινόμησης της ύλης, η τοπολογική τάξη, όπως και η συμμετρία, είναι μια θεμελιώδης έννοια στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης. Η βαθιά κατανόηση της τοπολογίας σχετίζεται με τα βασικά προβλήματα στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης, όπως η βασική ηλεκτρονική δομή τουκβαντικές φάσεις, μεταπτώσεις κβαντικών φάσεων και διέγερση πολλών ακινητοποιημένων στοιχείων σε κβαντικές φάσεις. Στα τοπολογικά υλικά, η σύζευξη μεταξύ πολλών βαθμών ελευθερίας, όπως τα ηλεκτρόνια, τα φωνόνια και το σπιν, παίζει καθοριστικό ρόλο στην κατανόηση και τη ρύθμιση των ιδιοτήτων του υλικού. Η διέγερση φωτός μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διάκριση μεταξύ διαφορετικών αλληλεπιδράσεων και τον χειρισμό της κατάστασης της ύλης, και στη συνέχεια μπορούν να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με τις βασικές φυσικές ιδιότητες του υλικού, τις δομικές μεταβάσεις φάσης και τις νέες κβαντικές καταστάσεις. Επί του παρόντος, η σχέση μεταξύ της μακροσκοπικής συμπεριφοράς των τοπολογικών υλικών που οδηγούνται από το φωτεινό πεδίο και της μικροσκοπικής ατομικής δομής και των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους έχει γίνει ερευνητικός στόχος.

Η συμπεριφορά φωτοηλεκτρικής απόκρισης των τοπολογικών υλικών σχετίζεται στενά με τη μικροσκοπική ηλεκτρονική δομή τους. Για τοπολογικά ημιμέταλλα, η διέγερση φορέα κοντά στη διασταύρωση της ζώνης είναι πολύ ευαίσθητη στα χαρακτηριστικά της κυματικής λειτουργίας του συστήματος. Η μελέτη μη γραμμικών οπτικών φαινομένων σε τοπολογικά ημιμέταλλα μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τις φυσικές ιδιότητες των διεγερμένων καταστάσεων του συστήματος και αναμένεται ότι αυτά τα φαινόμενα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην κατασκευήοπτικές συσκευέςκαι ο σχεδιασμός ηλιακών κυψελών, παρέχοντας πιθανές πρακτικές εφαρμογές στο μέλλον. Για παράδειγμα, σε ένα ημιμέταλλο Weyl, η απορρόφηση ενός φωτονίου κυκλικά πολωμένου φωτός θα προκαλέσει την αναστροφή του σπιν και προκειμένου να επιτευχθεί η διατήρηση της γωνιακής ορμής, η διέγερση ηλεκτρονίων και στις δύο πλευρές του κώνου Weyl θα κατανεμηθεί ασύμμετρα κατά μήκος την κατεύθυνση της διάδοσης του κυκλικά πολωμένου φωτός, που ονομάζεται κανόνας χειρόμορφης επιλογής (Εικόνα 1).

Η θεωρητική μελέτη μη γραμμικών οπτικών φαινομένων τοπολογικών υλικών συνήθως υιοθετεί τη μέθοδο συνδυασμού του υπολογισμού των ιδιοτήτων θεμελιώδους κατάστασης του υλικού και της ανάλυσης συμμετρίας. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει ορισμένα ελαττώματα: στερείται της δυναμικής πληροφορίας σε πραγματικό χρόνο των διεγερμένων φορέων στο χώρο ορμής και στον πραγματικό χώρο και δεν μπορεί να δημιουργήσει μια άμεση σύγκριση με την πειραματική μέθοδο ανίχνευσης με χρονική επίλυση. Η σύζευξη μεταξύ ηλεκτρονίων-φωνονίων και φωτονίων-φωνονίων δεν μπορεί να ληφθεί υπόψη. Και αυτό είναι κρίσιμο για να συμβούν ορισμένες μεταβάσεις φάσης. Επιπλέον, αυτή η θεωρητική ανάλυση που βασίζεται στη θεωρία των διαταραχών δεν μπορεί να ασχοληθεί με τις φυσικές διεργασίες κάτω από το ισχυρό φωτεινό πεδίο. Η εξαρτώμενη από το χρόνο προσομοίωση συναρτησιακής μοριακής δυναμικής πυκνότητας (TDDFT-MD) που βασίζεται στις πρώτες αρχές μπορεί να λύσει τα παραπάνω προβλήματα.

Πρόσφατα, υπό την καθοδήγηση της ερευνήτριας Meng Sheng, της μεταδιδακτορικής ερευνήτριας Guan Mengxue και του διδακτορικού φοιτητή Wang En της ομάδας SF10 του State Key Laboratory of Surface Physics του Ινστιτούτου Φυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών/Εθνικού Κέντρου Ερευνών του Πεκίνου για τη Συγκεντρωμένη Ύλη Φυσική, σε συνεργασία με τον καθηγητή Sun Jiatao του Ινστιτούτου Τεχνολογίας του Πεκίνου, χρησιμοποίησαν το λογισμικό προσομοίωσης δυναμικής διεγερμένης κατάστασης TDAP που αναπτύχθηκε μόνος του. Διερευνώνται τα χαρακτηριστικά απόκρισης της διέγερσης τετρασωματιδίων σε υπερταχύ λέιζερ στο δεύτερο είδος ημιμεταλλικού Weyl WTe2.

Έχει αποδειχθεί ότι η επιλεκτική διέγερση των φορέων κοντά στο σημείο Weyl καθορίζεται από την ατομική τροχιακή συμμετρία και τον κανόνα επιλογής μετάβασης, ο οποίος είναι διαφορετικός από τον συνηθισμένο κανόνα επιλογής σπιν για χειρόμορφη διέγερση και η διαδρομή διέγερσής του μπορεί να ελεγχθεί αλλάζοντας την κατεύθυνση πόλωσης γραμμικά πολωμένου φωτός και ενέργειας φωτονίων (Εικ. 2).

Η ασύμμετρη διέγερση των φορέων προκαλεί φωτορεύματα σε διαφορετικές κατευθύνσεις στον πραγματικό χώρο, γεγονός που επηρεάζει την κατεύθυνση και τη συμμετρία της ολίσθησης του ενδιάμεσου στρώματος του συστήματος. Δεδομένου ότι οι τοπολογικές ιδιότητες του WTe2, όπως ο αριθμός των σημείων Weyl και ο βαθμός διαχωρισμού στο χώρο της ορμής, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη συμμετρία του συστήματος (Εικόνα 3), η ασύμμετρη διέγερση των φορέων θα επιφέρει διαφορετική συμπεριφορά του Weyl. τεταρτοσωματίδια στο χώρο της ορμής και αντίστοιχες αλλαγές στις τοπολογικές ιδιότητες του συστήματος. Έτσι, η μελέτη παρέχει ένα σαφές διάγραμμα φάσης για φωτοτοπολογικές μεταβάσεις φάσης (Εικόνα 4).

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι πρέπει να δοθεί προσοχή στη χειραλικότητα της διέγερσης του φορέα κοντά στο σημείο Weyl και να αναλυθούν οι ατομικές τροχιακές ιδιότητες της κυματικής συνάρτησης. Τα αποτελέσματα των δύο είναι παρόμοια, αλλά ο μηχανισμός είναι προφανώς διαφορετικός, γεγονός που παρέχει μια θεωρητική βάση για την εξήγηση της μοναδικότητας των σημείων Weyl. Επιπλέον, η υπολογιστική μέθοδος που υιοθετήθηκε σε αυτή τη μελέτη μπορεί να κατανοήσει σε βάθος τις πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις και δυναμικές συμπεριφορές σε ατομικό και ηλεκτρονικό επίπεδο σε εξαιρετικά γρήγορη χρονική κλίμακα, να αποκαλύψει τους μικροφυσικούς μηχανισμούς τους και αναμένεται να αποτελέσει ένα ισχυρό εργαλείο για μελλοντική έρευνα για μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα σε τοπολογικά υλικά.

Τα αποτελέσματα βρίσκονται στο περιοδικό Nature Communications. Το ερευνητικό έργο υποστηρίζεται από το Εθνικό Σχέδιο Έρευνας και Ανάπτυξης κλειδιού, το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών και το Στρατηγικό Πιλοτικό Πρόγραμμα (Κατηγορία Β) της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών.

ΕΙΚ.1.α. Ο κανόνας επιλογής χειραλικότητας για σημεία Weyl με θετικό πρόσημο χειραλικότητας (χ=+1) κάτω από κυκλικά πολωμένο φως. Επιλεκτική διέγερση λόγω ατομικής τροχιακής συμμετρίας στο σημείο Weyl του β. χ=+1 σε on-line πολωμένο φως

ΣΥΚΟ. 2. Διάγραμμα ατομικής δομής του a, Td-WTe2; σι. Δομή ταινίας κοντά στην επιφάνεια Fermi. (γ) Η δομή ζώνης και οι σχετικές συνεισφορές ατομικών τροχιακών κατανεμημένων κατά μήκος υψηλών συμμετρικών γραμμών στην περιοχή Brillouin, τα βέλη (1) και (2) αντιπροσωπεύουν διέγερση κοντά ή μακριά από τα σημεία Weyl, αντίστοιχα. ρε. Ενίσχυση της δομής της ζώνης κατά μήκος της κατεύθυνσης Gamma-X

ΣΧΗΜΑ 3.αβ: Η σχετική ενδιάμεση κίνηση της κατεύθυνσης πόλωσης του γραμμικά πολωμένου φωτός κατά μήκος του άξονα Α και του άξονα Β του κρυστάλλου και ο αντίστοιχος τρόπος κίνησης απεικονίζεται. Γ. Σύγκριση μεταξύ θεωρητικής προσομοίωσης και πειραματικής παρατήρησης. de: Εξέλιξη συμμετρίας του συστήματος και η θέση, ο αριθμός και ο βαθμός διαχωρισμού των δύο πλησιέστερων σημείων Weyl στο επίπεδο kz=0

ΣΥΚΟ. 4. Φωτοτοπολογική μετάβαση φάσης σε Td-WTe2 για γραμμικά πολωμένη ενέργεια φωτονίων φωτός (?) ω) και εξαρτώμενο διάγραμμα φάσης κατεύθυνσης πόλωσης (θ)