Ir panākts progress Veila kvazidaļiņu īpaši ātras kustības, ko kontrolēlāzeri
Pēdējos gados teorētiskie un eksperimentālie pētījumi par topoloģiskajiem kvantu stāvokļiem un topoloģiskajiem kvantu materiāliem ir kļuvuši par karstu tēmu kondensēto vielu fizikas jomā. Kā jauns vielas klasifikācijas jēdziens, topoloģiskā kārtība, tāpat kā simetrija, ir fundamentāls jēdziens kondensēto vielu fizikā. Dziļa topoloģijas izpratne ir saistīta ar kondensēto vielu fizikas pamatproblēmām, piemēram, masas pamata elektronisko struktūru.kvantu fāzes, kvantu fāžu pārejas un daudzu imobilizētu elementu ierosināšana kvantu fāzēs. Topoloģiskos materiālos daudzu brīvības pakāpju, piemēram, elektronu, fononu un spina, savstarpējai saiknei ir izšķiroša loma materiālu īpašību izpratnē un regulēšanā. Gaismas ierosināšanu var izmantot, lai atšķirtu dažādas mijiedarbības un manipulētu ar vielas stāvokli, un pēc tam var iegūt informāciju par materiāla pamatfizikālajām īpašībām, strukturālajām fāžu pārejām un jauniem kvantu stāvokļiem. Pašlaik par pētniecības mērķi ir kļuvusi saistība starp topoloģisko materiālu makroskopisko uzvedību, ko virza gaismas lauks, un to mikroskopisko atomu struktūru un elektroniskajām īpašībām.
Topoloģisko materiālu fotoelektriskās atbildes reakcija ir cieši saistīta ar to mikroskopisko elektronisko struktūru. Topoloģiskiem pusmetāliem nesēju ierosme joslu krustpunktā ir ļoti jutīga pret sistēmas viļņu funkcijas raksturlielumiem. Nelineāru optisko parādību izpēte topoloģiskajos pusmetālos var palīdzēt mums labāk izprast sistēmas ierosināto stāvokļu fizikālās īpašības, un ir paredzams, ka šos efektus varēs izmantot ražošanā.optiskās ierīcesun saules bateriju dizainu, nodrošinot potenciālus praktiskus pielietojumus nākotnē. Piemēram, Veila pusmetālā, absorbējot cirkulāri polarizētas gaismas fotonu, spins mainīsies, un, lai ievērotu leņķiskā momenta nezūdamības likumu, elektronu ierosme abās Veila konusa pusēs tiks asimetriski sadalīta pa cirkulāri polarizētas gaismas izplatīšanās virzienu, ko sauc par kirālās atlases likumu (1. attēls).
Topoloģisko materiālu nelineāro optisko parādību teorētiskajā pētījumā parasti tiek izmantota metode, kas apvieno materiāla pamatstāvokļa īpašību aprēķinu un simetrijas analīzi. Tomēr šai metodei ir daži trūkumi: tai trūkst ierosināto nesēju reāllaika dinamiskās informācijas impulsa telpā un reālajā telpā, un tā nevar veikt tiešu salīdzinājumu ar laika izšķirtspējas eksperimentālo noteikšanas metodi. Nevar ņemt vērā elektronu-fononu un fotonu-fononu saikni. Un tas ir ļoti svarīgi, lai notiktu noteiktas fāžu pārejas. Turklāt šī teorētiskā analīze, kas balstīta uz perturbāciju teoriju, nevar aplūkot fizikālos procesus spēcīgā gaismas laukā. Iepriekš minētās problēmas var atrisināt laika atkarīgās blīvuma funkcionālās molekulārās dinamikas (TDDFT-MD) simulācija, kas balstīta uz pirmajiem principiem.
Nesen pētnieka Mena Šena, pēcdotorantūras pētnieka Guana Mensjue un doktoranta Vana Ena vadībā no Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fizikas institūta/Pekinas Nacionālā koncentrētas vielas fizikas pētniecības centra SF10 grupas, sadarbībā ar Pekinas Tehnoloģiju institūta profesoru Sunu Dzjatao viņi izmantoja pašizstrādātu ierosinātā stāvokļa dinamikas simulācijas programmatūru TDAP. Tiek pētītas kvazistatikulu ierosmes reakcijas raksturlielumi uz īpaši ātru lāzeru otrā veida Veila pusmetālā WTe2.
Ir pierādīts, ka nesēju selektīvo ierosināšanu Veila punkta tuvumā nosaka atomu orbitālās simetrijas un pārejas atlases likums, kas atšķiras no parastā spina atlases likuma kirālajai ierosināšanai, un tā ierosināšanas ceļu var kontrolēt, mainot lineāri polarizētās gaismas polarizācijas virzienu un fotonu enerģiju (2. att.).
Nesēju asimetriskais ierosinājums reālajā telpā inducē fotostrāvas dažādos virzienos, kas ietekmē sistēmas starpslāņa slīdes virzienu un simetriju. Tā kā WTe2 topoloģiskās īpašības, piemēram, Veila punktu skaits un atdalīšanās pakāpe impulsa telpā, ir ļoti atkarīgas no sistēmas simetrijas (3. attēls), nesēju asimetriskais ierosinājums izraisīs atšķirīgu Veila kvastidaļiņu uzvedību impulsa telpā un atbilstošas izmaiņas sistēmas topoloģiskajās īpašībās. Tādējādi pētījums sniedz skaidru fototopoloģisko fāžu pāreju fāžu diagrammu (4. attēls).
Rezultāti liecina, ka jāpievērš uzmanība nesēju ierosmes hirālitātei Veila punkta tuvumā un jāanalizē viļņu funkcijas atomu orbitālās īpašības. Abu ietekme ir līdzīga, taču mehānisms acīmredzami atšķiras, kas sniedz teorētisku pamatu Veila punktu singularitātes skaidrošanai. Turklāt šajā pētījumā izmantotā skaitļošanas metode var dziļi izprast sarežģītās mijiedarbības un dinamisko uzvedību atomu un elektroniskajā līmenī īpaši ātrā laika skalā, atklāt to mikrofizikālos mehānismus un, domājams, būs spēcīgs instruments turpmākiem pētījumiem par nelineārām optiskām parādībām topoloģiskos materiālos.
Rezultāti ir publicēti žurnālā Nature Communications. Pētniecības darbu atbalsta Nacionālais galveno pētniecības un attīstības plāns, Nacionālais dabaszinātņu fonds un Ķīnas Zinātņu akadēmijas Stratēģiskais pilotprojekts (B kategorija).
1.a attēls. Kiralitātes atlases noteikums Veila punktiem ar pozitīvu kiralitātes zīmi (χ = +1) cirkulāri polarizētā gaismā; selektīva ierosme atomu orbitālās simetrijas dēļ b punkta Veila punktā. χ = +1 tiešsaistes polarizētā gaismā.
2. attēls. a) Td-WTe2 atomu struktūras diagramma; b) Joslu struktūra Fermi virsmas tuvumā; (c) Joslu struktūra un atomu orbitāļu relatīvais ieguldījums, kas sadalīts pa augstām simetriskām līnijām Briljuēna apgabalā, bultiņas (1) un (2) attiecīgi attēlo ierosmi Veila punktu tuvumā vai tālu no tiem; d) Joslu struktūras pastiprinājums Gamma-X virzienā
3.ab attēls: Attēlota lineāri polarizētās gaismas polarizācijas virziena relatīvā starpslāņa kustība pa kristāla A asi un B asi un atbilstošais kustības režīms; C. Teorētiskās simulācijas un eksperimentālā novērojuma salīdzinājums; de: Sistēmas simetrijas evolūcija un divu tuvāko Veila punktu pozīcija, skaits un atdalīšanās pakāpe kz=0 plaknē.
4. attēls. Fototopoloģiskā fāžu pāreja Td-WTe2 lineāri polarizētas gaismas fotonu enerģijas (?) (ω) un polarizācijas virziena (θ) atkarīgai fāžu diagrammai.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 25. septembris