Ir gūti panākumi ar lāzeru kontrolēto Veila kvazidaļiņu ultraātrās kustības izpētē

Ir gūti panākumi, pētot Veila kvazidaļiņu īpaši ātru kustību, ko kontrolēlāzeri

Pēdējos gados teorētiskie un eksperimentālie topoloģisko kvantu stāvokļu un topoloģisko kvantu materiālu pētījumi ir kļuvuši par aktuālu tēmu kondensētās vielas fizikas jomā. Kā jauns matērijas klasifikācijas jēdziens, topoloģiskā secība, tāpat kā simetrija, ir pamatjēdziens kondensētās vielas fizikā. Dziļa topoloģijas izpratne ir saistīta ar kondensētās vielas fizikas pamatproblēmām, piemēram, elektronisko pamatstruktūru.kvantu fāzes, kvantu fāžu pārejas un daudzu imobilizētu elementu ierosme kvantu fāzēs. Topoloģiskajos materiālos saiknei starp daudzām brīvības pakāpēm, piemēram, elektroniem, fononiem un spinu, ir izšķiroša loma materiālu īpašību izpratnē un regulēšanā. Gaismas ierosmi var izmantot, lai atšķirtu dažādas mijiedarbības un manipulētu ar vielas stāvokli, un pēc tam var iegūt informāciju par materiāla fizikālajām pamatīpašībām, struktūras fāzu pārejām un jauniem kvantu stāvokļiem. Šobrīd par pētniecības mērķi ir kļuvusi saistība starp gaismas lauka vadīto topoloģisko materiālu makroskopisko uzvedību un to mikroskopisko atomu struktūru un elektroniskajām īpašībām.

Topoloģisko materiālu fotoelektriskās reakcijas uzvedība ir cieši saistīta ar tās mikroskopisko elektronisko struktūru. Topoloģiskiem pusmetāliem nesēja ierosme joslas krustojuma tuvumā ir ļoti jutīga pret sistēmas viļņu funkcijas īpašībām. Nelineāro optisko parādību izpēte topoloģiskos pusmetālos var palīdzēt mums labāk izprast sistēmas ierosināto stāvokļu fizikālās īpašības, un ir sagaidāms, ka šos efektus varēs izmantot, lai ražotuoptiskās ierīcesun saules bateriju projektēšana, nodrošinot potenciālus praktiskus pielietojumus nākotnē. Piemēram, Veila pusmetālā cirkulāri polarizētas gaismas fotona absorbcija izraisīs griešanās apgriešanos, un, lai nodrošinātu leņķiskā impulsa saglabāšanos, elektronu ierosme abās Veila konusa pusēs tiks asimetriski sadalīta. cirkulāri polarizētās gaismas izplatīšanās virziens, ko sauc par hirālās atlases likumu (1. attēls).

Topoloģisko materiālu nelineāro optisko parādību teorētiskajā izpētē parasti tiek izmantota materiāla pamatstāvokļa īpašību aprēķina un simetrijas analīzes apvienošanas metode. Tomēr šai metodei ir daži trūkumi: tai trūkst reāllaika dinamiskās informācijas par ierosinātajiem nesējiem impulsu telpā un reālajā telpā, un tā nevar izveidot tiešu salīdzinājumu ar laika izšķirtspējas eksperimentālās noteikšanas metodi. Savienojumu starp elektronu-fononiem un fotonu-fononiem nevar apsvērt. Un tas ir ļoti svarīgi, lai notiktu noteiktas fāzes pārejas. Turklāt šī teorētiskā analīze, kas balstīta uz perturbācijas teoriju, nevar tikt galā ar fiziskajiem procesiem spēcīgā gaismas laukā. No laika atkarīgā blīvuma funkcionālās molekulārās dinamikas (TDDFT-MD) simulācija, kuras pamatā ir pirmie principi, var atrisināt iepriekš minētās problēmas.

Nesen pētnieka Menga Šena, pēcdoktorantūras pētnieka Guana Mengsue un doktorantūras studenta Vana Ena vadībā no Ķīnas Zinātņu akadēmijas Fizikas institūta / Pekinas Nacionālā koncentrētas vielas pētniecības centra Virsmas fizikas valsts galvenās laboratorijas SF10 grupas. Fizika sadarbībā ar Pekinas Tehnoloģiju institūta profesoru Sun Jiatao izmantoja pašu izstrādātu ierosināto stāvokļa dinamikas simulācijas programmatūru TDAP. Tiek pētītas kvastidaļiņu ierosmes reakcijas īpašības uz ultraātro lāzeru otrā veida Weyl pusmetāla WTe2.

Ir pierādīts, ka Veila punkta tuvumā esošo nesēju selektīvo ierosmi nosaka atomu orbitālās simetrijas un pārejas izvēles noteikums, kas atšķiras no parastā spin atlases noteikuma hirālajai ierosmei, un tā ierosmes ceļu var kontrolēt, mainot polarizācijas virzienu. lineāri polarizētas gaismas un fotonu enerģijas (2. att.).

Nesēju asimetriskā ierosme reālajā telpā inducē fotostrāvas dažādos virzienos, kas ietekmē sistēmas starpslāņu slīdēšanas virzienu un simetriju. Tā kā WTe2 topoloģiskās īpašības, piemēram, Veila punktu skaits un atdalīšanas pakāpe impulsa telpā, ir ļoti atkarīgas no sistēmas simetrijas (3. attēls), nesēju asimetriskā ierosme izraisīs atšķirīgu Weyl uzvedību. kvastidaļiņas impulsu telpā un atbilstošās izmaiņas sistēmas topoloģiskās īpašībās. Tādējādi pētījums sniedz skaidru fāzu diagrammu fototopoloģiskajām fāzu pārejām (4. attēls).

Rezultāti liecina, ka ir jāpievērš uzmanība nesēja ierosmes hiralitātei Veila punkta tuvumā un jāanalizē viļņu funkcijas atomu orbitālās īpašības. Abu ietekme ir līdzīga, taču mehānisms acīmredzami atšķiras, kas nodrošina teorētisku pamatu Weyl punktu savdabības izskaidrošanai. Turklāt šajā pētījumā izmantotā skaitļošanas metode var dziļi izprast sarežģītās mijiedarbības un dinamisko uzvedību atomu un elektroniskos līmeņos īpaši ātrā laika skalā, atklāt to mikrofiziskos mehānismus, un ir paredzams, ka tā būs spēcīgs instruments turpmākiem pētījumiem. nelineāras optiskās parādības topoloģiskos materiālos.

Rezultāti ir publicēti žurnālā Nature Communications. Pētniecisko darbu atbalsta Nacionālais pētniecības un attīstības plāns, Nacionālais dabaszinātņu fonds un Ķīnas Zinātņu akadēmijas stratēģiskais izmēģinājuma projekts (B kategorija).

Fig.1.a. Hiralitātes izvēles noteikums Veila punktiem ar pozitīvu hiralitātes zīmi (χ=+1) cirkulāri polarizētā gaismā; Selektīva ierosme atomu orbitālās simetrijas dēļ b Veila punktā. χ=+1 tiešsaistes polarizētajā gaismā

Zīm. 2. A, Td-WTe2 atomu struktūras diagramma; b. Joslas struktūra netālu no Fermi virsmas; (c) joslu struktūra un atomu orbitāļu relatīvais ieguldījums, kas sadalīts pa augstām simetriskām līnijām Brillouin reģionā, bultiņas (1) un (2) apzīmē ierosmi attiecīgi Veila punktu tuvumā vai tālu no tiem; d. Joslu struktūras pastiprināšana Gamma-X virzienā

3.ab. attēls. Attēlota lineāri polarizētas gaismas polarizācijas virziena relatīvā starpslāņa kustība pa kristāla A-asi un B-asi un atbilstošais kustības režīms; C. Teorētiskās simulācijas un eksperimentālās novērošanas salīdzinājums; de: sistēmas simetriskā attīstība un divu tuvāko Veila punktu atrašanās vieta, skaits un atdalīšanas pakāpe kz=0 plaknē

Zīm. 4. Fototopoloģiskā fāzes pāreja Td-WTe2 lineāri polarizētai gaismas fotonu enerģijai (?) ω) un polarizācijas virziena (θ) atkarīga fāzes diagramma