Дасягнуты прагрэс у вывучэнні звышхуткага руху квазічасціц Вейля, які кантралюеццалазеры
У апошнія гады тэарэтычныя і эксперыментальныя даследаванні тапалагічных квантавых станаў і тапалагічных квантавых матэрыялаў сталі актуальнай тэмай у галіне фізікі кандэнсаванага стану. Як новая канцэпцыя класіфікацыі матэрыі, тапалагічны парадак, як і сіметрыя, з'яўляецца фундаментальнай канцэпцыяй у фізіцы кандэнсаванага стану. Глыбокае разуменне тапалогіі звязана з асноўнымі праблемамі фізікі кандэнсаванага стану, такімі як асноўная электронная структураквантавыя фазы, квантавыя фазавыя пераходы і ўзбуджэнне многіх нерухомых элементаў у квантавых фазах. У тапалагічных матэрыялах сувязь паміж многімі ступенямі свабоды, такімі як электроны, фаноны і спін, адыгрывае вырашальную ролю ў разуменні і рэгуляванні ўласцівасцей матэрыялаў. Светлавое ўзбуджэнне можа быць выкарыстана для адрознення розных узаемадзеянняў і маніпулявання станам рэчыва, і тады можна атрымаць інфармацыю аб асноўных фізічных уласцівасцях матэрыялу, структурных фазавых пераходах і новых квантавых станах. У цяперашні час сувязь паміж макраскапічнымі паводзінамі тапалагічных матэрыялаў, якія кіруюцца светлавым полем, і іх мікраскапічнай атамнай структурай і электроннымі ўласцівасцямі стала мэтай даследавання.
Фотаэлектрычная рэакцыя тапалагічных матэрыялаў цесна звязана з іх мікраскапічнай электроннай структурай. Для тапалагічных паўметалаў узбуджэнне носьбітаў паблізу перасячэння зон вельмі адчувальнае да характарыстык хвалевай функцыі сістэмы. Вывучэнне нелінейных аптычных з'яў у тапалагічных паўметалах можа дапамагчы нам лепш зразумець фізічныя ўласцівасці ўзбуджаных станаў сістэмы, і чакаецца, што гэтыя эфекты могуць быць выкарыстаны ў вытворчасціаптычныя прыладыі распрацоўка сонечных батарэй, што забяспечвае патэнцыйныя практычныя прымяненні ў будучыні. Напрыклад, у паўметале Вейля паглынанне фатона цыркулярна палярызаванага святла прывядзе да змены спіна, і каб задаволіць захаванне вуглавога моманту, узбуджэнне электронаў па абодва бакі конуса Вейля будзе асіметрычна размеркавана ўздоўж кірунку распаўсюджвання цыркулярна палярызаванага святла, што называецца хіральным правілам адбору (малюнак 1).
Тэарэтычнае вывучэнне нелінейных аптычных з'яў тапалагічных матэрыялаў звычайна выкарыстоўвае метад спалучэння разліку ўласцівасцей асноўнага стану матэрыялу і аналізу сіметрыі. Аднак гэты метад мае некаторыя недахопы: яму не хапае дынамічнай інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу аб узбуджаных носьбітах у імпульснай прасторы і рэальнай прасторы, і ён не можа ўсталяваць прамое параўнанне з эксперыментальным метадам выяўлення з часавым разрозненнем. Нельга ўлічваць сувязь паміж электрон-фанонамі і фатон-фанонамі. А гэта мае вырашальнае значэнне для ўзнікнення некаторых фазавых пераходаў. Акрамя таго, гэты тэарэтычны аналіз, заснаваны на тэорыі абурэнняў, не можа ахапіць фізічныя працэсы ў моцным светлавым полі. Мадэляванне з дапамогай функцыяналу шчыльнасці, якое залежыць ад часу, заснаванае на першых прынцыпах, можа вырашыць вышэйзгаданыя праблемы.
Нядаўна пад кіраўніцтвам даследчыка Мэн Шэна, постдактаранта Гуань Мэнсюэ і дактаранта Ван Эня з групы SF10 Дзяржаўнай ключавой лабараторыі фізікі паверхні Інстытута фізікі Кітайскай акадэміі навук/Пекінскага нацыянальнага даследчага цэнтра фізікі канцэнтраваных рэчываў, у супрацоўніцтве з прафесарам Сунь Цзятао з Пекінскага тэхналагічнага інстытута, яны выкарысталі ўласнае праграмнае забеспячэнне для мадэлявання дынамікі ўзбуджаных станаў TDAP. Даследаваны характарыстыкі водгуку квасцічасцічнага ўзбуджэння на звышхуткі лазер у другім тыпе паўметалу Вейля WTe2.
Было паказана, што селектыўнае ўзбуджэнне носьбітаў паблізу кропкі Вейля вызначаецца атамнай арбітальнай сіметрыяй і правілам адбору пераходаў, якое адрозніваецца ад звычайнага правіла спін-адбору для хіральнай узбуджальнай тэрапіі, і шлях яе ўзбуджэння можна кантраляваць, змяняючы кірунак палярызацыі лінейна палярызаванага святла і энергію фатонаў (мал. 2).
Асіметрычнае ўзбуджэнне носьбітаў індукуе фотатокі ў розных напрамках у рэальнай прасторы, што ўплывае на кірунак і сіметрыю міжслаёвага слізгацення сістэмы. Паколькі тапалагічныя ўласцівасці WTe2, такія як колькасць кропак Вейля і ступень падзелу ў імпульснай прасторы, моцна залежаць ад сіметрыі сістэмы (малюнак 3), асіметрычнае ўзбуджэнне носьбітаў прывядзе да рознай паводзін квастычасціц Вейля ў імпульснай прасторы і адпаведных змен у тапалагічных уласцівасцях сістэмы. Такім чынам, даследаванне дае выразную фазавую дыяграму для фотатапалагічных фазавых пераходаў (малюнак 4).
Вынікі паказваюць, што варта звярнуць увагу на хіральнасць узбуджэння носьбітаў паблізу кропкі Вейля і прааналізаваць уласцівасці хвалевай функцыі на атамных арбіталах. Эфекты гэтых двух фактараў падобныя, але механізм відавочна адрозніваецца, што забяспечвае тэарэтычную аснову для тлумачэння сінгулярнасці кропак Вейля. Акрамя таго, вылічальны метад, выкарыстаны ў гэтым даследаванні, дазваляе глыбока зразумець складаныя ўзаемадзеянні і дынамічныя паводзіны на атамным і электронным узроўнях у звышхуткіх часовых маштабах, раскрыць іх мікрафізічныя механізмы і, як чакаецца, стане магутным інструментам для будучых даследаванняў нелінейных аптычных з'яў у тапалагічных матэрыялах.
Вынікі апублікаваныя ў часопісе Nature Communications. Даследчая праца падтрымліваецца Нацыянальным ключавым планам даследаванняў і распрацовак, Нацыянальным фондам прыродазнаўчых навук і Стратэгічным пілотным праектам (катэгорыя B) Кітайскай акадэміі навук.
МАЛ. 1.a. Правіла хіральнасці для кропак Вейля з дадатным знакам хіральнасці (χ=+1) у цыркулярна палярызаваным святле; Селектыўнае ўзбуджэнне з-за атамнай арбітальнай сіметрыі ў кропцы Вейля b. χ=+1 у анлайн-палярызаваным святле
МАЛ. 2. Дыяграма атамнай структуры a, Td-WTe2; b. Зонная структура паблізу паверхні Фермі; (c) Зонная структура і адносны ўклад атамных арбіталей, размеркаваных уздоўж высокасіметрычных ліній у вобласці Брылюэна, стрэлкі (1) і (2) адлюстроўваюць узбуджэнне паблізу або далёка ад кропак Вейля адпаведна; d. Узмацненне зоннай структуры ўздоўж кірунку γ-X
РЫС.3.ab: Паказана адноснае міжслаёвае перамяшчэнне кірунку палярызацыі лінейна палярызаванага святла ўздоўж восі А і восі В крышталя, а таксама адпаведны рэжым руху; C. Параўнанне паміж тэарэтычным мадэляваннем і эксперыментальным назіраннем; de: Эвалюцыя сіметрыі сістэмы і становішча, колькасць і ступень падзелу двух бліжэйшых кропак Вейля ў плоскасці kz=0.
МАЛ. 4. Фотатапалагічны фазавы пераход у Td-WTe2 для фазавай дыяграмы, якая залежыць ад энергіі фатонаў лінейна палярызаванага святла (?) ω) і кірунку палярызацыі (θ).
Час публікацыі: 25 верасня 2023 г.