Weilin kvasihiukkasten ultranopean liikkeen tutkimuksessa on edistytty, kun liikettä kontrolloidaanlaserit
Viime vuosina topologisten kvanttitilojen ja topologisten kvanttimateriaalien teoreettinen ja kokeellinen tutkimus on noussut kuumaksi aiheeksi tiiviin aineen fysiikan alalla. Uutena aineen luokittelun käsitteenä topologinen järjestys, kuten symmetria, on tiiviin aineen fysiikan peruskäsite. Topologian syvällinen ymmärtäminen liittyy tiiviin aineen fysiikan perusongelmiin, kuten aineen peruselektronirakenteeseen.kvanttifaasit, kvanttifaasisiirtymät ja monien immobilisoitujen alkuaineiden viritys kvanttifaaseissa. Topologisissa materiaaleissa monien vapausasteiden, kuten elektronien, fononien ja spinin, välinen kytkentä on ratkaisevassa roolissa materiaalien ominaisuuksien ymmärtämisessä ja säätelyssä. Valoviritteen avulla voidaan erottaa toisistaan erilaisia vuorovaikutuksia ja manipuloida aineen olomuotoa, ja siten voidaan saada tietoa materiaalin perusfysikaalisista ominaisuuksista, rakenteellisista faasisiirtymistä ja uusista kvanttitiloista. Tällä hetkellä tutkimustavoitteeksi on tullut topologisten materiaalien valokentän ohjaaman makroskooppisen käyttäytymisen ja niiden mikroskooppisen atomirakenteen ja elektronisten ominaisuuksien välinen suhde.
Topologisten materiaalien fotoelektrinen vastekäyttäytyminen liittyy läheisesti niiden mikroskooppiseen elektronirakenteeseen. Topologisilla puolimetalleilla varauksenkuljettajien heräte lähellä kaistan leikkauspistettä on erittäin herkkä järjestelmän aaltofunktion ominaisuuksille. Epälineaaristen optisten ilmiöiden tutkiminen topologisissa puolimetalleissa voi auttaa meitä ymmärtämään paremmin järjestelmän viritystilojen fysikaalisia ominaisuuksia, ja on odotettavissa, että näitä vaikutuksia voidaan käyttää valmistuksessaoptiset laitteetja aurinkokennojen suunnittelu, mikä tarjoaa potentiaalisia käytännön sovelluksia tulevaisuudessa. Esimerkiksi Weyl-puolimetallissa ympyräpolarisoidun valon fotonin absorbointi aiheuttaa spinin kääntymisen, ja pyörimismäärän säilymislain täyttämiseksi Weyl-kartion molemmilla puolilla oleva elektroniviritys jakautuu epäsymmetrisesti ympyräpolarisoidun valon etenemissuuntaan, mitä kutsutaan kiraaliseksi valintasäännöksi (kuva 1).
Topologisten materiaalien epälineaaristen optisten ilmiöiden teoreettisessa tutkimuksessa käytetään yleensä menetelmää, jossa yhdistetään materiaalin perustilan ominaisuuksien laskenta ja symmetria-analyysi. Tässä menetelmässä on kuitenkin joitakin puutteita: siitä puuttuu reaaliaikainen dynaaminen informaatio virittyneiden varauksenkuljettajien sijainnista liikemäärätilassa ja todellisessa avaruudessa, eikä se pysty vertaamaan sitä suoraan aikaerotteiseen kokeelliseen havaitsemismenetelmään. Elektroni-fononien ja fotoni-fononien välistä kytkentää ei voida ottaa huomioon. Tämä on kuitenkin ratkaisevan tärkeää tiettyjen faasimuutosten tapahtumiselle. Lisäksi tämä perturbaatioteoriaan perustuva teoreettinen analyysi ei pysty käsittelemään fysikaalisia prosesseja voimakkaassa valokentässä. Ensimmäisiin periaatteisiin perustuva ajasta riippuva tiheysfunktionaalinen molekyylidynamiikka (TDDFT-MD) -simulointi voi ratkaista edellä mainitut ongelmat.
Hiljattain tutkija Meng Shengin, postdoc-tutkija Guan Mengxuen ja tohtoriopiskelija Wang Enin johdolla Kiinan tiedeakatemian fysiikan laitoksen/Pekingin kansallisen tiivistetyn aineen fysiikan tutkimuskeskuksen pintafysiikan valtion avainlaboratorion SF10-ryhmästä ja yhteistyössä Pekingin teknillisen instituutin professori Sun Jiataon kanssa he käyttivät itse kehittämäänsä viritystilan dynamiikan simulointiohjelmistoa TDAP. Tutkimuksessa tutkitaan kvastihiukkasviritteen vasteominaisuuksia ultraspeed laserilla toisen tyyppisessä Weyl-puolimetallissa WTe2.
On osoitettu, että Weyl-pisteen lähellä olevien varauksenkuljettajien selektiivinen viritys määräytyy atomiorbitaalisymmetrian ja siirtymävalintasäännön perusteella, mikä eroaa kiraalisen virityksen tavanomaisesta spinvalintasäännöstä, ja sen viritystietä voidaan ohjata muuttamalla lineaarisesti polarisoidun valon ja fotonienergian polarisaatiosuuntaa (kuva 2).
Varauksenkuljettajien epäsymmetrinen viritys indusoi valovirtoja eri suuntiin todellisessa avaruudessa, mikä vaikuttaa järjestelmän välikerroksen liukumisen suuntaan ja symmetriaan. Koska WTe2:n topologiset ominaisuudet, kuten Weyl-pisteiden lukumäärä ja niiden etäisyyden aste liikemääräavaruudessa, riippuvat suuresti järjestelmän symmetriasta (kuva 3), varauksenkuljettajien epäsymmetrinen viritys johtaa Weyl-kvastihiukkasten erilaiseen käyttäytymiseen liikemääräavaruudessa ja vastaaviin muutoksiin järjestelmän topologisissa ominaisuuksissa. Siten tutkimus tarjoaa selkeän faasidiagrammin fototopologisille faasimuutoksille (kuva 4).
Tulokset osoittavat, että Weyl-pisteen lähellä tapahtuvan varauksenkuljettajien herätteen kiraalisuuteen tulisi kiinnittää huomiota ja analysoida aaltofunktion atomien orbitaaliominaisuuksia. Näiden kahden vaikutukset ovat samankaltaisia, mutta mekanismi on ilmeisen erilainen, mikä tarjoaa teoreettisen perustan Weyl-pisteiden singulaarisuuden selittämiselle. Lisäksi tässä tutkimuksessa käytetty laskennallinen menetelmä voi syvällisesti ymmärtää monimutkaisia vuorovaikutuksia ja dynaamisia käyttäytymismalleja atomi- ja elektronitasolla erittäin nopealla aikaskaalalla, paljastaa niiden mikrofysikaaliset mekanismit ja sen odotetaan olevan tehokas työkalu tulevaisuuden tutkimukseen epälineaarisista optisista ilmiöistä topologisissa materiaaleissa.
Tulokset ovat julkaistu Nature Communications -lehdessä. Tutkimustyötä tukevat Kiinan tiedeakatemian kansallinen keskeinen tutkimus- ja kehityssuunnitelma, kansallinen luonnontieteellinen säätiö ja strateginen pilottihanke (kategoria B).
KUVA 1.a. Kiraalisuuden valintasääntö Weyl-pisteille, joilla on positiivinen kiraalisuusmerkki (χ = +1) ympyräpolarisoidussa valossa; Selektiivinen viritys atomiorbitaalisymmetrian vuoksi b:n Weyl-pisteessä. χ = +1 reaaliaikaisessa polarisoidussa valossa
KUVA 2. a) Td-WTe2:n atomirakennekaavio; b) Vyöhykerakenne lähellä Fermin pintaa; (c) Vyöhykerakenne ja atomiorbitaalien suhteelliset osuudet jakautuneina Brillouinin alueella korkeiden symmetristen viivojen suuntaisesti, nuolet (1) ja (2) edustavat viritystä lähellä tai kaukana Weyl-pisteistä; d) Vyöhykerakenteen vahvistuminen Gamma-X-suunnassa
KUVA 3.ab: Lineaarisesti polarisoidun valon polarisaatiosuunnan suhteellinen kerrostenvälinen liike kiteen A- ja B-akselin suuntaisesti ja vastaava liikemuoto on esitetty; C. Teoreettisen simulaation ja kokeellisen havainnon vertailu; de: Järjestelmän symmetrian kehitys ja kahden lähimmän Weyl-pisteen sijainti, lukumäärä ja etäisyyden aste kz=0-tasossa
KUVA 4. Fototopologinen faasimuutos Td-WTe2:ssa lineaarisesti polarisoidun valon fotonienergiasta (?) (ω) ja polarisaatiosuunnasta (θ) riippuvalle faasidiagrammille
Julkaisun aika: 25. syyskuuta 2023