Sono stati fatti progressi nello studio del moto ultraveloce delle quasiparticelle di Weil controllate dai laser

Sono stati fatti progressi nello studio del moto ultraveloce delle quasiparticelle di Weil controllate dalaser

Negli ultimi anni, la ricerca teorica e sperimentale sugli stati quantistici topologici e sui materiali quantistici topologici è diventata un tema di grande attualità nel campo della fisica della materia condensata. Come nuovo concetto di classificazione della materia, l'ordine topologico, come la simmetria, è un concetto fondamentale nella fisica della materia condensata. Una profonda comprensione della topologia è correlata ai problemi fondamentali della fisica della materia condensata, come la struttura elettronica di base.fasi quantistiche, transizioni di fase quantistiche ed eccitazione di molti elementi immobilizzati in fasi quantistiche. Nei materiali topologici, l'accoppiamento tra molti gradi di libertà, come elettroni, fononi e spin, gioca un ruolo decisivo nella comprensione e nella regolazione delle proprietà dei materiali. L'eccitazione luminosa può essere utilizzata per distinguere tra diverse interazioni e manipolare lo stato della materia, ottenendo così informazioni sulle proprietà fisiche di base del materiale, sulle transizioni di fase strutturali e sui nuovi stati quantistici. Attualmente, la relazione tra il comportamento macroscopico dei materiali topologici guidati dal campo luminoso e la loro struttura atomica microscopica e le proprietà elettroniche è diventata un obiettivo di ricerca.

Il comportamento della risposta fotoelettrica dei materiali topologici è strettamente correlato alla loro struttura elettronica microscopica. Per i semimetalli topologici, l'eccitazione del portatore in prossimità dell'intersezione delle bande è altamente sensibile alle caratteristiche della funzione d'onda del sistema. Lo studio dei fenomeni ottici non lineari nei semimetalli topologici può aiutarci a comprendere meglio le proprietà fisiche degli stati eccitati del sistema e si prevede che questi effetti possano essere utilizzati nella fabbricazione didispositivi otticie la progettazione di celle solari, offrendo potenziali applicazioni pratiche in futuro. Ad esempio, in un semimetallo di Weyl, l'assorbimento di un fotone di luce polarizzata circolarmente causerà un'inversione dello spin e, per rispettare la conservazione del momento angolare, l'eccitazione elettronica su entrambi i lati del cono di Weyl sarà distribuita in modo asimmetrico lungo la direzione di propagazione della luce polarizzata circolarmente, secondo la cosiddetta regola di selezione chirale (Figura 1).

Lo studio teorico dei fenomeni ottici non lineari dei materiali topologici adotta solitamente il metodo che combina il calcolo delle proprietà dello stato fondamentale del materiale e l'analisi di simmetria. Tuttavia, questo metodo presenta alcuni difetti: non fornisce informazioni dinamiche in tempo reale sui portatori eccitati nello spazio degli impulsi e nello spazio reale, e non può stabilire un confronto diretto con il metodo di rilevazione sperimentale risolta nel tempo. L'accoppiamento tra elettroni-fononi e fotoni-fononi non può essere considerato, e questo è cruciale per il verificarsi di determinate transizioni di fase. Inoltre, questa analisi teorica basata sulla teoria delle perturbazioni non può trattare i processi fisici sotto il campo luminoso intenso. La simulazione della dinamica molecolare funzionale della densità dipendente dal tempo (TDDFT-MD) basata sui principi primi può risolvere i problemi sopra menzionati.

Recentemente, sotto la guida del ricercatore Meng Sheng, del ricercatore post-dottorato Guan Mengxue e del dottorando Wang En del gruppo SF10 del Laboratorio Statale di Fisica delle Superfici dell'Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze/Centro Nazionale di Ricerca di Pechino per la Fisica della Materia Concentrata, in collaborazione con il Professor Sun Jiatao del Beijing Institute of Technology, hanno utilizzato il software di simulazione dinamica dello stato eccitato TDAP, sviluppato internamente. Vengono studiate le caratteristiche di risposta dell'eccitazione di quastiparticelle al laser ultraveloce nel secondo tipo di semimetallo di Weyl WTe2.

È stato dimostrato che l'eccitazione selettiva dei portatori in prossimità del punto di Weyl è determinata dalla simmetria orbitale atomica e dalla regola di selezione della transizione, che è diversa dalla solita regola di selezione dello spin per l'eccitazione chirale, e il suo percorso di eccitazione può essere controllato modificando la direzione di polarizzazione della luce polarizzata linearmente e dell'energia dei fotoni (FIG. 2).

L'eccitazione asimmetrica dei portatori induce fotocorrenti in diverse direzioni nello spazio reale, il che influenza la direzione e la simmetria dello scorrimento interstrato del sistema. Poiché le proprietà topologiche di WTe2, come il numero di punti di Weyl e il grado di separazione nello spazio degli impulsi, dipendono fortemente dalla simmetria del sistema (Figura 3), l'eccitazione asimmetrica dei portatori indurrà un comportamento diverso delle quastiparticelle di Weyl nello spazio degli impulsi e corrispondenti cambiamenti nelle proprietà topologiche del sistema. Pertanto, lo studio fornisce un diagramma di fase chiaro per le transizioni di fase fototopologiche (Figura 4).

I risultati mostrano che la chiralità dell'eccitazione dei portatori in prossimità del punto di Weyl merita attenzione e che le proprietà orbitali atomiche della funzione d'onda dovrebbero essere analizzate. Gli effetti dei due sono simili, ma il meccanismo è ovviamente diverso, il che fornisce una base teorica per spiegare la singolarità dei punti di Weyl. Inoltre, il metodo computazionale adottato in questo studio consente di comprendere a fondo le complesse interazioni e i comportamenti dinamici a livello atomico ed elettronico in una scala temporale superveloce, rivelandone i meccanismi microfisici e si prevede che costituisca un potente strumento per la ricerca futura sui fenomeni ottici non lineari nei materiali topologici.

I risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Communications. Il lavoro di ricerca è supportato dal National Key Research and Development Plan, dalla National Natural Science Foundation e dal Progetto Pilota Strategico (Categoria B) dell'Accademia Cinese delle Scienze.

FIG.1.a. La regola di selezione della chiralità per i punti di Weyl con segno di chiralità positivo (χ=+1) sotto luce polarizzata circolarmente; eccitazione selettiva dovuta alla simmetria orbitale atomica nel punto di Weyl di b. χ=+1 in luce polarizzata in linea

FIG. 2. Diagramma della struttura atomica di a, Td-WTe2; b. Struttura a bande in prossimità della superficie di Fermi; (c) Struttura a bande e contributi relativi degli orbitali atomici distribuiti lungo linee ad alta simmetria nella regione di Brillouin, le frecce (1) e (2) rappresentano rispettivamente l'eccitazione vicino o lontano dai punti di Weyl; d. Amplificazione della struttura a bande lungo la direzione Gamma-X

FIG.3.ab: Viene illustrato il movimento relativo interstrato della direzione di polarizzazione della luce polarizzata linearmente lungo l'asse A e l'asse B del cristallo e la corrispondente modalità di movimento; C. Confronto tra simulazione teorica e osservazione sperimentale; de: Evoluzione della simmetria del sistema e posizione, numero e grado di separazione dei due punti di Weyl più vicini nel piano kz=0

FIG. 4. Transizione di fase fototopologica in Td-WTe2 per il diagramma di fase dipendente dall'energia dei fotoni di luce polarizzata linearmente (?) ω) e dalla direzione di polarizzazione (θ)