Sono stati fatti progressi nello studio del movimento 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 caldo nel campo della fisica della materia condensata. Essendo un 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 legata ai problemi fondamentali della fisica della materia condensata, come la struttura elettronica di basefasi quantistiche, transizioni di fase quantistica 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 della luce può essere utilizzata per distinguere tra diverse interazioni e manipolare lo stato della materia, e si possono quindi ottenere 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 di risposta fotoelettrica dei materiali topologici è strettamente correlato alla sua struttura elettronica microscopica. Per i semimetalli topologici, l'eccitazione del portatore vicino all'intersezione della banda 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, fornendo potenziali applicazioni pratiche in futuro. Ad esempio, in un semimetallo di Weyl, l'assorbimento di un fotone di luce polarizzata circolarmente causerà l'inversione dello spin e, per soddisfare la conservazione del momento angolare, l'eccitazione degli elettroni su entrambi i lati del cono di Weyl sarà distribuita asimmetricamente lungo la direzione della propagazione della luce polarizzata circolarmente, che è chiamata 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 dei materiali e l'analisi di simmetria. Tuttavia, questo metodo presenta alcuni difetti: manca l'informazione dinamica in tempo reale dei portatori eccitati nello spazio della quantità di moto e nello spazio reale, e non può stabilire un confronto diretto con il metodo di rilevamento sperimentale risolto in tempo. L'accoppiamento elettrone-fononi e fotone-fononi non può essere considerato. E questo è fondamentale affinché avvengano determinate transizioni di fase. Inoltre questa analisi teorica basata sulla teoria delle perturbazioni non può occuparsi dei processi fisici sotto un forte campo luminoso. La simulazione della dinamica molecolare funzionale della densità dipendente dal tempo (TDDFT-MD) basata sui principi primi può risolvere i problemi di cui sopra.
Recentemente, sotto la guida del ricercatore Meng Sheng, del ricercatore post-dottorato Guan Mengxue e del dottorando Wang En del Gruppo SF10 del Laboratorio Chiave di Stato di Fisica delle Superfici dell'Istituto di Fisica dell'Accademia Cinese delle Scienze/Centro Nazionale di Ricerca sulla Materia Concentrata di Pechino I fisici, in collaborazione con il professor Sun Jiatao del Beijing Institute of Technology, hanno utilizzato il software di simulazione della dinamica degli stati eccitati auto-sviluppato TDAP. Vengono studiate le caratteristiche di risposta dell'eccitazione delle quasiparticelle al laser ultraveloce nel secondo tipo di WTe2 semimetallico di Weyl.
È stato dimostrato che l'eccitazione selettiva dei portatori vicino al punto 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 cambiando la direzione di polarizzazione di luce polarizzata linearmente e di energia fotonica (FIG. 2).
L'eccitazione asimmetrica dei portatori induce fotocorrenti in diverse direzioni nello spazio reale, che influenza la direzione e la simmetria dello scorrimento interstrato del sistema. Poiché le proprietà topologiche di WTe2, come il numero di punti Weyl e il grado di separazione nello spazio della quantità di moto, dipendono fortemente dalla simmetria del sistema (Figura 3), l'eccitazione asimmetrica dei portatori determinerà un comportamento diverso di Weyl quasiparticelle nello spazio della quantità di moto e corrispondenti cambiamenti nelle proprietà topologiche del sistema. Pertanto, lo studio fornisce un chiaro diagramma di fase per le transizioni di fase fototopologiche (Figura 4).
I risultati mostrano che si dovrebbe prestare attenzione alla chiralità dell'eccitazione del portatore vicino al punto di Weyl e che dovrebbero essere analizzate le proprietà orbitali atomiche della funzione d'onda. 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 può comprendere a fondo le complesse interazioni e i comportamenti dinamici a livello atomico ed elettronico in una scala temporale superveloce, rivelarne i meccanismi microfisici e si prevede che diventi un potente strumento per la ricerca futura su Fenomeni ottici non lineari nei materiali topologici.
I risultati sono sulla rivista Nature Communications. Il lavoro di ricerca è sostenuto dal Piano nazionale di ricerca e sviluppo chiave, dalla Fondazione nazionale per le scienze naturali e dal progetto pilota strategico (categoria B) dell’Accademia cinese delle scienze.
FIG.1.a. La regola di selezione della chiralità per i punti Weyl con segno di chiralità positivo (χ=+1) sotto luce polarizzata circolarmente; Eccitazione selettiva dovuta alla simmetria orbitale atomica nel punto Weyl di b. χ=+1 in luce polarizzata in linea
FICO. 2. Diagramma della struttura atomica di a, Td-WTe2; B. Struttura a bande vicino alla superficie di Fermi; (c) Struttura a bande e relativi contributi degli orbitali atomici distribuiti lungo linee altamente simmetriche 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 dell'interstrato della direzione di polarizzazione della luce polarizzata linearmente lungo gli assi A e B del cristallo e la modalità di movimento corrispondente; C. Confronto tra simulazione teorica e osservazione sperimentale; de: Evoluzione della simmetria del sistema e posizione, numero e grado di separazione dei due punti Weyl più vicini nel piano kz=0
FICO. 4. Transizione di fase fototopologica in Td-WTe2 per energia fotonica di luce polarizzata linearmente (?) ω) e diagramma di fase dipendente dalla direzione di polarizzazione (θ)
Orario di pubblicazione: 25 settembre 2023