Edistystä on tapahtunut Weilin kvasihiukkasten ultranopean liikkeen tutkimuksessalaserit
Viime vuosina topologisten kvanttitilojen ja topologisten kvanttimateriaalien teoreettisesta ja kokeellisesta tutkimuksesta on tullut kuuma aihe kondensoituneen aineen fysiikan alalla. Uutena aineen luokittelun käsitteenä topologinen järjestys, kuten symmetria, on peruskäsite tiivistyneen aineen fysiikassa. Topologian syvällinen ymmärrys liittyy kondensoituneen aineen fysiikan perusongelmiin, kuten elektronisen perusrakenteenkvanttivaiheet, kvanttifaasisiirtymät ja monien immobilisoitujen elementtien viritys kvanttivaiheissa. Topologisissa materiaaleissa useiden vapausasteiden, kuten elektronien, fononien ja spinin, välisellä kytkennällä on ratkaiseva rooli materiaalien ominaisuuksien ymmärtämisessä ja säätelyssä. Valon virityksellä voidaan erottaa erilaisia vuorovaikutuksia ja manipuloida aineen tilaa, jolloin saadaan tietoa materiaalin fysikaalisista perusominaisuuksista, rakenteellisista faasimuutoksista ja uusista kvanttitiloista. Tällä hetkellä tutkimustavoitteeksi on noussut valokentän ohjaamien topologisten materiaalien makroskooppisen käyttäytymisen ja niiden mikroskooppisen atomirakenteen ja elektronisten ominaisuuksien välinen suhde.
Topologisten materiaalien valosähköinen vastekäyttäytyminen liittyy läheisesti sen mikroskooppiseen elektronirakenteeseen. Topologisten puolimetallien tapauksessa kantoaallon viritys lähellä kaistanleikkausta on erittäin herkkä järjestelmän aaltofunktion ominaisuuksille. Topologisten puolimetallien epälineaaristen optisten ilmiöiden tutkiminen voi auttaa meitä ymmärtämään paremmin järjestelmän virittyneiden tilojen fysikaalisia ominaisuuksia, ja on odotettavissa, että näitä vaikutuksia voidaan hyödyntää mm.optiset laitteetja aurinkokennojen suunnittelu, jotka tarjoavat mahdollisia käytännön sovelluksia tulevaisuudessa. Esimerkiksi Weyl-puolimetallissa ympyräpolarisoidun valon fotonin absorboiminen saa spinin kääntymään, ja kulmamomentin säilymisen saavuttamiseksi elektronin viritys Weyl-kartion molemmilla puolilla jakautuu epäsymmetrisesti ympyräpolarisoidun valon etenemissuunta, jota kutsutaan kiraaliseksi valintasäännöksi (kuva 1).
Topologisten materiaalien epälineaaristen optisten ilmiöiden teoreettisessa tutkimuksessa käytetään yleensä menetelmää, jossa yhdistetään materiaalin perustilaominaisuuksien laskeminen ja symmetria-analyysi. Tässä menetelmässä on kuitenkin joitain puutteita: siitä puuttuu reaaliaikainen dynaaminen informaatio liikemääräavaruudessa ja todellisessa avaruudessa olevien virittyneiden kantajien välillä, eikä se pysty muodostamaan suoraa vertailua aikaresoluution kokeelliseen ilmaisumenetelmään. Elektroni-fononien ja fotoni-fononien välistä kytkentää ei voida ottaa huomioon. Ja tämä on ratkaisevan tärkeää tiettyjen vaihesiirtymien esiintymiselle. Lisäksi tämä häiriöteoriaan perustuva teoreettinen analyysi ei pysty käsittelemään fysikaalisia prosesseja voimakkaan valokentän alla. Aikariippuvainen tiheysfunktionaalisen molekyylidynamiikan (TDDFT-MD) simulointi, joka perustuu ensimmäisiin periaatteisiin, voi ratkaista yllä olevat ongelmat.
Äskettäin tutkija Meng Shengin, tohtoritutkijan Guan Mengxuen ja tohtoriopiskelija Wang Enin ohjauksessa Kiinan tiedeakatemian fysiikan instituutin / Pekingin kansallisen tiivistetyn aineen tutkimuskeskuksen pintafysiikan valtion päälaboratorion SF10-ryhmästä. Fysiikka käytti yhteistyössä professori Sun Jiataon kanssa Pekingin teknillisestä korkeakoulusta itse kehittämää jännittyneen tilan dynamiikan simulointiohjelmistoa TDAP. Kvastihiukkasvirityksen vasteominaisuuksia ultranopeaan laseriin toisen tyyppisessä Weyl-puolimetallissa WTe2:ssa tutkitaan.
On osoitettu, että Weyl-pisteen lähellä olevien kantajien selektiivinen viritys määräytyy atomiradan symmetrian ja siirtymän valintasäännön avulla, joka eroaa tavallisesta kiraalisen virityksen spinvalintasäännöstä, ja sen virityspolkua voidaan ohjata muuttamalla polarisaatiosuuntaa. lineaarisesti polarisoidusta valosta ja fotonienergiasta (kuvio 2).
Kantajien epäsymmetrinen viritys indusoi valovirtoja eri suuntiin todellisessa avaruudessa, mikä vaikuttaa järjestelmän kerrosten välisen luiston suuntaan ja symmetriaan. Koska WTe2:n topologiset ominaisuudet, kuten Weyl-pisteiden lukumäärä ja erotusaste liikemääräavaruudessa, ovat erittäin riippuvaisia järjestelmän symmetriasta (kuva 3), kantoaaltojen epäsymmetrinen viritys saa aikaan Weylin erilaisen käyttäytymisen. kvastihiukkaset liikemääräavaruudessa ja vastaavat muutokset järjestelmän topologisissa ominaisuuksissa. Siten tutkimus tarjoaa selkeän vaihekaavion fototopologisille faasisiirtymille (kuva 4).
Tulokset osoittavat, että Weyl-pisteen lähellä tapahtuvan kantoaallon virityksen kiraalisuuteen tulee kiinnittää huomiota ja analysoida aaltofunktion atomikiertoradan ominaisuuksia. Näiden kahden vaikutukset ovat samanlaisia, mutta mekanismi on selvästi erilainen, mikä tarjoaa teoreettisen perustan Weyl-pisteiden singulaarisuuden selittämiselle. Lisäksi tässä tutkimuksessa omaksutulla laskennallisella menetelmällä voidaan syvällisesti ymmärtää monimutkaisia vuorovaikutuksia ja dynaamisia käyttäytymismalleja atomi- ja elektronitasolla supernopeassa mittakaavassa, paljastaa niiden mikrofyysiset mekanismit, ja sen odotetaan olevan tehokas työkalu tulevassa tutkimuksessa epälineaariset optiset ilmiöt topologisissa materiaaleissa.
Tulokset ovat Nature Communications -lehdessä. Tutkimustyötä tukevat National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation ja Kiinan tiedeakatemian Strategic Pilot Project (Category B).
KUVIO 1.a. Kiraalisuuden valintasääntö Weyl-pisteille, joilla on positiivinen kiraalisuusmerkki (χ=+1) ympyräpolarisoidussa valossa; Atomiradan symmetriasta johtuva valikoiva viritys Weyl-pisteessä b. χ=+1 on-line-polaroidussa valossa
KUVA. 2. A, Td-WTe2:n atomirakennekaavio; b. Nauharakenne lähellä Fermin pintaa; (c) Brillouinin alueella korkeita symmetrisiä linjoja pitkin jakautuneiden atomiorbitaalien kaistarakenne ja suhteelliset osuudet, nuolet (1) ja (2) edustavat viritystä lähellä tai kaukana Weyl-pisteistä, vastaavasti; d. Bändirakenteen vahvistus Gamma-X-suunnassa
Kuvio 3.ab: Lineaarisesti polarisoidun valon polarisaatiosuunnan suhteellinen kerrosten välinen liike kiteen A-akselia ja B-akselia pitkin ja vastaava liiketila on kuvattu; C. Teoreettisen simulaation ja kokeellisen havainnoinnin vertailu; de: Järjestelmän symmetriaevoluutio ja kahden lähimmän Weyl-pisteen sijainti, lukumäärä ja erotusaste tasossa kz=0
KUVA. 4. Fototopologinen vaihesiirtymä Td-WTe2:ssa lineaarisesti polarisoidulle valon fotonienergialle (?) ω) ja polarisaatiosuunnasta (θ) riippuvainen vaihekaavio
Postitusaika: 25.9.2023