Sono stati compiuti progressi nello studio del moto ultraveloce delle quasiparticelle di Weil controllato dalaser
Negli ultimi anni, la ricerca teorica e sperimentale sugli stati quantistici topologici e sui materiali quantistici topologici è diventata un argomento di grande interesse 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 legata ai problemi fondamentali della fisica della materia condensata, come la struttura elettronica di base difasi quantistichetransizioni 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 del materiale. L'eccitazione luminosa 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 da un 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 loro struttura elettronica microscopica. Per i semimetalli topologici, l'eccitazione dei portatori vicino all'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, che offrono potenziali applicazioni pratiche in futuro. Ad esempio, in un semimetallo di Weyl, l'assorbimento di un fotone di luce polarizzata circolarmente provoca l'inversione dello spin e, per soddisfare 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 un metodo che combina il calcolo delle proprietà dello stato fondamentale del materiale con l'analisi di simmetria. Tuttavia, questo metodo presenta alcuni difetti: manca di informazioni dinamiche in tempo reale sui portatori eccitati nello spazio dei momenti e nello spazio reale e non consente un confronto diretto con il metodo di rilevamento sperimentale risolto nel tempo. Non è possibile considerare l'accoppiamento tra elettroni-fononi e fotoni-fononi, aspetto cruciale per il verificarsi di determinate transizioni di fase. Inoltre, questa analisi teorica basata sulla teoria delle perturbazioni non è in grado di trattare i processi fisici in presenza di un campo luminoso intenso. La simulazione di dinamica molecolare basata sulla teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo (TDDFT-MD), a partire dai principi primi, può risolvere i problemi sopra descritti.
Recentemente, sotto la guida del ricercatore Meng Sheng, del ricercatore post-dottorato Guan Mengxue e del dottorando Wang En del gruppo SF10 del Laboratorio di Stato per la 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 dell'Istituto di Tecnologia di Pechino, hanno utilizzato il software di simulazione della dinamica dello stato eccitato TDAP, sviluppato internamente. Sono state studiate le caratteristiche di risposta dell'eccitazione di quastiparticelle a un laser ultrarapido nel semimetallo di Weyl di secondo tipo WTe2.
È stato dimostrato che l'eccitazione selettiva dei portatori vicino al punto di Weyl è determinata dalla simmetria degli orbitali atomici 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 della luce polarizzata linearmente e l'energia del fotone (FIG. 2).
L'eccitazione asimmetrica dei portatori induce fotocorrenti in direzioni diverse nello spazio reale, influenzando la direzione e la simmetria dello scorrimento interstrato del sistema. Poiché le proprietà topologiche del WTe2, come il numero di punti di Weyl e il grado di separazione nello spazio dei momenti, dipendono fortemente dalla simmetria del sistema (Figura 3), l'eccitazione asimmetrica dei portatori determinerà un comportamento diverso delle quastiparticelle di Weyl nello spazio dei momenti 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 è necessario prestare attenzione alla chiralità dell'eccitazione dei portatori in prossimità del punto di Weyl e analizzare le proprietà degli orbitali atomici 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 su una scala temporale ultraveloce, rivelarne i meccanismi microfisici e si prevede che sarà un potente strumento per la futura ricerca sui fenomeni ottici non lineari nei materiali topologici.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications. La ricerca è stata finanziata dal Piano nazionale di ricerca e sviluppo, dalla Fondazione nazionale per le scienze naturali e dal Progetto pilota strategico (categoria B) dell'Accademia cinese delle scienze.
FIG.1.a. 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 degli orbitali atomici 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 vicino alla 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 interstrato relativo della direzione di polarizzazione della luce polarizzata linearmente lungo gli assi A e 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 energia del fotone di luce polarizzata linearmente (ω) e diagramma di fase dipendente dalla direzione di polarizzazione (θ).
Data di pubblicazione: 25 settembre 2023