Дасягнуты поспехі ў вывучэнні звышхуткага руху квазічасціц Вейля, кіраваныхлазеры
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 фундаментальным паняццем у фізіцы кандэнсаванага стану. Глыбокае разуменне тапалогіі звязана з асноўнымі праблемамі фізікі кандэнсаванага асяроддзя, такімі як базавая электронная структураквантавыя фазы, квантавыя фазавыя пераходы і ўзбуджэнне многіх імабілізаваных 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 матэрыялу. Светлавое ўзбуджэнне можа быць выкарыстана для адрознення паміж рознымі ўзаемадзеяннямі і маніпулявання станам матэрыі, а затым можа быць атрымана інфармацыя аб асноўных фізічных уласцівасцях матэрыялу, структурных фазавых пераходах і новых квантавых станах. У цяперашні час мэтаю даследавання стала ўзаемасувязь паміж макраскапічнымі паводзінамі тапалагічных матэрыялаў, якія кіруюцца светлавым полем, і іх мікраскапічнай атамнай структурай і электроннымі ўласцівасцямі.
Паводзіны фотаэлектрычнага водгуку тапалагічных матэрыялаў цесна звязаны з іх мікраскапічнай электроннай структурай. Для тапалагічных паўметалаў узбуджэнне носьбіта каля перасячэння палос вельмі адчувальна да характарыстык хвалевай функцыі сістэмы. Вывучэнне нелінейна-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 дызайн сонечных батарэй, якія забяспечваюць патэнцыйнае практычнае прымяненне ў будучыні. Напрыклад, у паўметале Вейля паглынанне фатона цыркулярна палярызаванага святла прывядзе да перавароту спіна, і для таго, каб выканаць захаванне вуглавога моманту, электроннае ўзбуджэнне па абодва бакі конусу Вейля будзе асіметрычна размеркавана ўздоўж кірунак распаўсюджвання цыркулярна палярызаванага святла, які называецца хіральным правілам адбору (малюнак 1).
Тэарэтычнае даследаванне нелінейна-аптычных з'яў тапалагічных матэрыялаў звычайна выкарыстоўвае метад аб'яднання разліку ўласцівасцей асноўнага стану матэрыялу і аналізу сіметрыі. Аднак у гэтага метаду ёсць некаторыя недахопы: яму не хапае дынамічнай інфармацыі ў рэжыме рэальнага часу аб узбуджаных носьбітах у прасторы імпульсу і рэальнай прасторы, і ён не можа правесці прамое параўнанне з метадам эксперыментальнага выяўлення з дазволам па часе. Сувязь паміж электрон-фанонамі і фатон-фанонамі не можа быць разгледжана. І гэта вельмі важна для пэўных фазавых пераходаў. Акрамя таго, гэты тэарэтычны аналіз, заснаваны на тэорыі абурэнняў, не можа разглядаць фізічныя працэсы ў моцным светлавым полі. Мадэляванне функцыянальнай малекулярнай дынамікі шчыльнасці з залежнасцю ад часу (TDDFT-MD), заснаванае на першых прынцыпах, можа вырашыць вышэйзгаданыя праблемы.
Нядаўна пад кіраўніцтвам даследчыка Мэн Шэна, дактаранта Гуань Мэнсюэ і дактаранта Ван Эня з групы SF10 Дзяржаўнай ключавой лабараторыі фізікі паверхні Інстытута фізікі Акадэміі навук Кітая/Пекінскага нацыянальнага даследчага цэнтра канцэнтраваных рэчываў Фізікі ў супрацоўніцтве з прафесарам Сунь Цзятао з Пекінскага тэхналагічнага інстытута выкарысталі самастойна распрацаванае праграмнае забеспячэнне для мадэлявання дынамікі ўзбуджанага стану TDAP. Даследаваны характарыстыкі водгуку квастычасцічнага ўзбуджэння на звышхуткі лазер у паўметале Вейля WTe2 другога роду.
Было паказана, што селектыўнае ўзбуджэнне носьбітаў каля кропкі Вейля вызначаецца сіметрыяй атамнай арбіты і правілам выбару пераходаў, якое адрозніваецца ад звычайнага правіла выбару спіна для хіральнага ўзбуджэння, і яго шлях узбуджэння можна кантраляваць, змяняючы кірунак палярызацыі лінейна палярызаванага святла і энергіі фатонаў (мал. 2).
Асіметрычнае ўзбуджэнне носьбітаў індукуе фотатокі ў розных напрамках у рэальнай прасторы, што ўплывае на кірунак і сіметрыю міжслойнага слізгацення сістэмы. Паколькі тапалагічныя ўласцівасці WTe2, такія як колькасць кропак Вейля і ступень падзелу ў прасторы імпульсу, моцна залежаць ад сіметрыі сістэмы (малюнак 3), асіметрычнае ўзбуджэнне носьбітаў будзе выклікаць розныя паводзіны Вейля квастычасціц у прасторы імпульсу і адпаведныя змены тапалагічных уласцівасцей сістэмы. Такім чынам, даследаванне дае выразную фазавую дыяграму для фотатапалагічных фазавых пераходаў (малюнак 4).
Вынікі паказваюць, што варта звярнуць увагу на хіральнасць узбуджэння носьбітаў каля кропкі Вейля і прааналізаваць атамна-арбітальныя ўласцівасці хвалевай функцыі. Эфекты абодвух падобных, але механізм відавочна адрозніваецца, што забяспечвае тэарэтычную аснову для тлумачэння сінгулярнасці пунктаў Вейля. Акрамя таго, вылічальны метад, прыняты ў гэтым даследаванні, можа глыбока зразумець складаныя ўзаемадзеянні і дынамічныя паводзіны на атамным і электронным узроўнях у звышхуткім часе, выявіць іх мікрафізічныя механізмы і, як чакаецца, стане магутным інструментам для будучых даследаванняў па нелінейна-аптычныя з'явы ў тапалагічных матэрыялах.
Вынікі апублікаваны ў часопісе Nature Communications. Даследчая праца падтрымліваецца Нацыянальным ключавым планам даследаванняў і распрацовак, Нацыянальным фондам натуральных навук і Стратэгічным пілотным праектам (катэгорыя B) Акадэміі навук Кітая.
Мал.1.а. Правіла адбору хіральнасці для пунктаў Вейля з дадатным знакам хіральнасці (χ=+1) у цыркулярна палярызаваным святле; Селектыўнае ўзбуджэнне з-за сіметрыі атамнай арбіты ў пункце Вейля b. χ=+1 у анлайнавым палярызаваным святле
ФІГ. 2. Структурная схема атама а, Td-WTe2; б. Зонная структура каля паверхні Фермі; (c) Палосная структура і адносныя ўклады атамных арбіталей, размеркаваных уздоўж высокіх сіметрычных ліній у вобласці Брылюэна, стрэлкі (1) і (2) адлюстроўваюць узбуджэнне паблізу або далёка ад кропак Вейля адпаведна; d. Узмацненне палоснай структуры ўздоўж напрамку гама-Х
ФІГ.3.ab: праілюстраваны адносны міжслойны рух лінейна палярызаванага напрамку палярызацыі святла ўздоўж восі A і B крышталя і адпаведны рэжым руху; C. Параўнанне паміж тэарэтычным мадэляваннем і эксперыментальнымі назіраннямі; de: Эвалюцыя сіметрыі сістэмы і становішча, колькасць і ступень падзелу дзвюх бліжэйшых кропак Вейля ў плоскасці kz=0
ФІГ. 4. Фатапалагічны фазавы пераход у Td-WTe2 для лінейна палярызаванага светлавога фатона, які залежыць ад энергіі (?) ω) і напрамку палярызацыі (θ).
Час публікацыі: 25 верасня 2023 г