Der is foarútgong makke yn 'e stúdzje fan ultrasnelle beweging fan Weil-kwasipartikels dy't kontroleare wurde trochlasers
Yn 'e lêste jierren is it teoretysk en eksperiminteel ûndersyk nei topologyske kwantumtastannen en topologyske kwantummaterialen in hjit ûnderwerp wurden op it mêd fan 'e kondinsearre matearjefysika. As in nij konsept fan matearjeklassifikaasje is topologyske oarder, lykas symmetry, in fûneminteel konsept yn 'e kondinsearre matearjefysika. In djip begryp fan topology is relatearre oan 'e basisproblemen yn 'e kondinsearre matearjefysika, lykas de basis elektroanyske struktuer fankwantumfazen, kwantumfaze-oergongen en eksitaasje fan in protte immobilisearre eleminten yn kwantumfazen. Yn topologyske materialen spilet de koppeling tusken in protte frijheidsgraden, lykas elektroanen, fononen en spin, in beslissende rol yn it begripen en regeljen fan materiaaleigenskippen. Ljochteksitaasje kin brûkt wurde om ûnderskied te meitsjen tusken ferskate ynteraksjes en de tastân fan matearje te manipulearjen, en ynformaasje oer de basisfysyske eigenskippen fan it materiaal, strukturele faze-oergongen en nije kwantumtastannen kin dan krigen wurde. Op it stuit is de relaasje tusken makroskopysk gedrach fan topologyske materialen oandreaun troch in ljochtfjild en har mikroskopyske atoomstruktuer en elektroanyske eigenskippen in ûndersyksdoel wurden.
It fotoelektryske reaksjegedrach fan topologyske materialen is nau besibbe oan syn mikroskopyske elektroanyske struktuer. Foar topologyske healmetalen is de drager-eksitaasje tichtby de bandsnijpunt tige gefoelich foar de golffunksjekarakteristiken fan it systeem. De stúdzje fan net-lineaire optyske ferskynsels yn topologyske healmetalen kin ús helpe om de fysike eigenskippen fan 'e oanstutsen steaten fan it systeem better te begripen, en der wurdt ferwachte dat dizze effekten brûkt wurde kinne by de fabrikaazje fanoptyske apparatenen it ûntwerp fan sinnesellen, wat potinsjele praktyske tapassingen yn 'e takomst biedt. Bygelyks, yn in Weyl healmetaal sil it absorbearjen fan in foton fan sirkelfoarmich polarisearre ljocht de spin omdraaie, en om te foldwaan oan it behâld fan hoekmomentum sil de elektroneneksitaasje oan beide kanten fan 'e Weyl-kegel asymmetrysk ferdield wurde lâns de rjochting fan 'e sirkelfoarmich polarisearre ljochtfersprieding, wat de chirale seleksjeregel neamd wurdt (Ofbylding 1).
De teoretyske stúdzje fan net-lineare optyske ferskynsels fan topologyske materialen brûkt meastentiids de metoade fan it kombinearjen fan 'e berekkening fan grûnsteastateigenskippen fan it materiaal en symmetryanalyse. Dizze metoade hat lykwols wat tekoartkommingen: it mist de real-time dynamyske ynformaasje fan opteinde dragers yn momentumromte en echte romte, en it kin gjin direkte ferliking meitsje mei de tiid-oploste eksperimintele deteksjemetoade. De koppeling tusken elektron-fononen en foton-fononen kin net beskôge wurde. En dit is krúsjaal foar bepaalde faze-oergongen om plak te finen. Derneist kin dizze teoretyske analyse basearre op perturbaasjeteory de fysike prosessen ûnder it sterke ljochtfjild net behannelje. De tiid-ôfhinklike tichtheidsfunksjonele molekulêre dynamika (TDDFT-MD) simulaasje basearre op earste prinsipes kin de boppesteande problemen oplosse.
Koartlyn hawwe se ûnder begelieding fan ûndersiker Meng Sheng, postdoktoraal ûndersiker Guan Mengxue en promovendus Wang En fan 'e SF10 Groep fan it State Key Laboratory of Surface Physics fan it Institute of Physics fan 'e Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter Physics, yn gearwurking mei professor Sun Jiatao fan it Beijing Institute of Technology, de sels ûntwikkele simulaasjesoftware foar oanstutsen tastândynamika TDAP brûkt. De responskarakteristiken fan quastipartikel-eksitaasje op ultrasnelle laser yn it twadde soarte Weyl-healmetaal WTe2 wurde ûndersocht.
It is oantoand dat de selektive oanstjoering fan dragers tichtby it Weyl-punt bepaald wurdt troch atomêre orbitale symmetry en oergongsseleksjeregel, dy't oars is as de gewoane spinseleksjeregel foar chirale oanstjoering, en it oanstjoeringspaad kin kontroleare wurde troch de polarisaasjerjochting fan lineêr polarisearre ljocht en fotonenerzjy te feroarjen (FIG. 2).
De asymmetryske oanstjoering fan dragers feroarsaket fotostreamen yn ferskate rjochtingen yn 'e echte romte, wat ynfloed hat op 'e rjochting en symmetry fan 'e tuskenlaachslip fan it systeem. Om't de topologyske eigenskippen fan WTe2, lykas it oantal Weyl-punten en de mjitte fan skieding yn 'e momentumromte, tige ôfhinklik binne fan 'e symmetry fan it systeem (figuer 3), sil de asymmetryske oanstjoering fan dragers ferskillend gedrach fan Weyl-kwastideeltsjes yn 'e momentumromte en oerienkommende feroarings yn 'e topologyske eigenskippen fan it systeem feroarsaakje. Sa leveret de stúdzje in dúdlik fazediagram foar fototopologyske faze-oergongen (figuer 4).
De resultaten litte sjen dat der omtinken jûn wurde moat oan de chiraliteit fan drager-eksitaasje tichtby it Weyl-punt, en dat de atomêre orbitale eigenskippen fan 'e golffunksje analysearre wurde moatte. De effekten fan 'e twa binne ferlykber, mar it meganisme is fansels oars, wat in teoretyske basis biedt foar it ferklearjen fan 'e singulariteit fan Weyl-punten. Derneist kin de berekkeningsmetoade dy't yn dizze stúdzje brûkt wurdt, de komplekse ynteraksjes en dynamyske gedrach op atomêr en elektroanysk nivo yn in supersnelle tiidskaal djip begripe, har mikrofysyske meganismen iepenbierje, en wurdt ferwachte in krêftich ark te wêzen foar takomstich ûndersyk nei net-lineare optyske ferskynsels yn topologyske materialen.
De resultaten binne yn it tydskrift Nature Communications. It ûndersykswurk wurdt stipe troch it National Key Research and Development Plan, de National Natural Science Foundation en it Strategic Pilot Project (Kategory B) fan 'e Sineeske Akademy fan Wittenskippen.
FIG.1.a. De chiraliteitsseleksjeregel foar Weyl-punten mei posityf chiraliteitsteken (χ=+1) ûnder sirkulêr polarisearre ljocht; Selektive eksitaasje fanwegen atoomorbitale symmetry op it Weyl-punt fan b. χ=+1 yn online polarisearre ljocht
FIG. 2. Atoomstruktuerdiagram fan a, Td-WTe2; b. Bânstruktuer tichtby it Fermi-oerflak; (c) Bânstruktuer en relative bydragen fan atoomorbitalen ferdield lâns heechsymmetryske linen yn 'e Brillouin-regio, pylken (1) en (2) fertsjintwurdigje respektivelik eksitaasje tichtby of fier fan Weyl-punten; d. Fersterking fan bânstruktuer lâns de Gamma-X-rjochting
FIG.3.ab: De relative tuskenlaachbeweging fan lineêr polarisearre ljochtpolarisaasjerjochting lâns de A-as en B-as fan it kristal, en de oerienkommende bewegingsmodus wurdt yllustrearre; C. Fergeliking tusken teoretyske simulaasje en eksperimintele observaasje; de: Symmetry-evolúsje fan it systeem en de posysje, it oantal en de mjitte fan skieding fan 'e twa tichtste Weyl-punten yn it kz=0-flak
FIG. 4. Fototopologyske faze-oergong yn Td-WTe2 foar lineêr polarisearre ljochtfotonenerzjy (?) ω) en polarisaasjerjochting (θ) ôfhinklik fazediagram
Pleatsingstiid: 25 septimber 2023