Bei der Untersuchung der ultraschnellen Bewegung von Weil-Quasiteilchen, die durch Laser gesteuert wird, wurden Fortschritte erzielt

Fortschritte wurden bei der Untersuchung der ultraschnellen Bewegung von Weil-Quasiteilchen erzielt, die durch gesteuert wirdLaser

In den letzten Jahren ist die theoretische und experimentelle Erforschung topologischer Quantenzustände und topologischer Quantenmaterialien zu einem heißen Thema auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie geworden. Als neues Konzept der Materieklassifizierung ist die topologische Ordnung ebenso wie die Symmetrie ein grundlegendes Konzept in der Physik der kondensierten Materie. Ein tiefes Verständnis der Topologie hängt mit den grundlegenden Problemen der Physik der kondensierten Materie zusammen, beispielsweise mit der grundlegenden elektronischen Struktur vonQuantenphasen, Quantenphasenübergänge und Anregung vieler immobilisierter Elemente in Quantenphasen. In topologischen Materialien spielt die Kopplung zwischen vielen Freiheitsgraden wie Elektronen, Phononen und Spin eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die Regulierung von Materialeigenschaften. Durch Lichtanregung können verschiedene Wechselwirkungen unterschieden und der Zustand der Materie manipuliert werden. Anschließend können Informationen über die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Materials, strukturelle Phasenübergänge und neue Quantenzustände gewonnen werden. Gegenwärtig ist die Beziehung zwischen dem makroskopischen Verhalten topologischer Materialien, die durch Lichtfelder gesteuert werden, und ihrer mikroskopischen Atomstruktur und ihren elektronischen Eigenschaften zu einem Forschungsziel geworden.

Das photoelektrische Reaktionsverhalten topologischer Materialien hängt eng mit ihrer mikroskopischen elektronischen Struktur zusammen. Bei topologischen Halbmetallen reagiert die Ladungsträgeranregung in der Nähe des Bandschnittpunkts sehr empfindlich auf die Wellenfunktionseigenschaften des Systems. Die Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene in topologischen Halbmetallen kann uns helfen, die physikalischen Eigenschaften der angeregten Zustände des Systems besser zu verstehen, und es wird erwartet, dass diese Effekte bei der Herstellung genutzt werden könnenoptische Geräteund das Design von Solarzellen, die potenzielle praktische Anwendungen in der Zukunft bieten. Beispielsweise führt die Absorption eines Photons zirkular polarisierten Lichts in einem Weyl-Halbmetall dazu, dass sich der Spin umdreht, und um die Drehimpulserhaltung zu erfüllen, wird die Elektronenanregung auf beiden Seiten des Weyl-Kegels asymmetrisch verteilt die Richtung der Ausbreitung des zirkular polarisierten Lichts, die als chirale Auswahlregel bezeichnet wird (Abbildung 1).

Bei der theoretischen Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene topologischer Materialien wird üblicherweise die Methode der Kombination der Berechnung der Grundzustandseigenschaften des Materials und der Symmetrieanalyse angewendet. Diese Methode weist jedoch einige Mängel auf: Es fehlen die Echtzeit-Dynamikinformationen angeregter Ladungsträger im Impulsraum und im realen Raum und es kann kein direkter Vergleich mit der zeitaufgelösten experimentellen Nachweismethode hergestellt werden. Die Kopplung zwischen Elektron-Phononen und Photon-Phononen kann nicht berücksichtigt werden. Und dies ist entscheidend dafür, dass bestimmte Phasenübergänge stattfinden. Darüber hinaus kann diese auf der Störungstheorie basierende theoretische Analyse die physikalischen Prozesse unter dem starken Lichtfeld nicht behandeln. Die auf ersten Prinzipien basierende zeitabhängige Dichtefunktionalmolekulardynamiksimulation (TDDFT-MD) kann die oben genannten Probleme lösen.

Kürzlich unter der Leitung des Forschers Meng Sheng, des Postdoktoranden Guan Mengxue und des Doktoranden Wang En von der SF10-Gruppe des State Key Laboratory of Surface Physics des Institute of Physics der Chinese Academy of Sciences/Beijing National Research Center for Concentrated Matter In Zusammenarbeit mit Professor Sun Jiatao vom Beijing Institute of Technology verwendeten sie die selbst entwickelte Simulationssoftware TDAP für die Dynamik angeregter Zustände. Die Reaktionseigenschaften der Quasiteilchenanregung auf einen ultraschnellen Laser in der zweiten Art von Weyl-Halbmetall WTe2 werden untersucht.

Es wurde gezeigt, dass die selektive Anregung von Ladungsträgern in der Nähe des Weyl-Punkts durch die Atomorbitalsymmetrie und die Übergangsauswahlregel bestimmt wird, die sich von der üblichen Spinauswahlregel für chirale Anregung unterscheidet, und dass ihr Anregungspfad durch Änderung der Polarisationsrichtung gesteuert werden kann aus linear polarisiertem Licht und Photonenenergie (ABB. 2).

Die asymmetrische Anregung von Ladungsträgern induziert Photoströme in unterschiedlichen Richtungen im realen Raum, was sich auf die Richtung und Symmetrie der Zwischenschichtverschiebung des Systems auswirkt. Da die topologischen Eigenschaften von WTe2, wie die Anzahl der Weyl-Punkte und der Grad der Trennung im Impulsraum, stark von der Symmetrie des Systems abhängen (Abbildung 3), führt die asymmetrische Anregung von Ladungsträgern zu einem unterschiedlichen Verhalten von Weyl Quasiteilchen im Impulsraum und entsprechende Änderungen in den topologischen Eigenschaften des Systems. Somit liefert die Studie ein klares Phasendiagramm für phototopologische Phasenübergänge (Abbildung 4).

Die Ergebnisse zeigen, dass der Chiralität der Ladungsträgeranregung in der Nähe des Weyl-Punkts Aufmerksamkeit geschenkt und die Atomorbitaleigenschaften der Wellenfunktion analysiert werden sollten. Die Auswirkungen beider sind ähnlich, aber der Mechanismus ist offensichtlich unterschiedlich, was eine theoretische Grundlage für die Erklärung der Singularität von Weyl-Punkten darstellt. Darüber hinaus kann die in dieser Studie verwendete Berechnungsmethode die komplexen Wechselwirkungen und dynamischen Verhaltensweisen auf atomarer und elektronischer Ebene in einer superschnellen Zeitskala tiefgreifend verstehen, ihre mikrophysikalischen Mechanismen aufdecken und dürfte ein leistungsstarkes Werkzeug für zukünftige Forschungen sein nichtlineare optische Phänomene in topologischen Materialien.

Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Forschungsarbeit wird vom National Key Research and Development Plan, der National Natural Science Foundation und dem Strategic Pilot Project (Kategorie B) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unterstützt.

ABB.1.a. Die Chiralitätsauswahlregel für Weyl-Punkte mit positivem Chiralitätszeichen (χ=+1) unter zirkular polarisiertem Licht; Selektive Anregung aufgrund der Atomorbitalsymmetrie am Weyl-Punkt von b. χ=+1 in online polarisiertem Licht

FEIGE. 2. Atomstrukturdiagramm von a, Td-WTe2; B. Bandstruktur nahe der Fermi-Oberfläche; (c) Bandstruktur und relative Beiträge von Atomorbitalen, die entlang hoher Symmetrielinien in der Brillouin-Region verteilt sind; Pfeile (1) und (2) repräsentieren Anregungen in der Nähe bzw. weit entfernt von Weyl-Punkten; D. Verstärkung der Bandstruktur entlang der Gamma-X-Richtung

FIG.3.ab: Die relative Zwischenschichtbewegung der Polarisationsrichtung linear polarisierten Lichts entlang der A-Achse und B-Achse des Kristalls und der entsprechende Bewegungsmodus sind dargestellt; C. Vergleich zwischen theoretischer Simulation und experimenteller Beobachtung; de: Symmetrieentwicklung des Systems und die Position, Anzahl und Grad der Trennung der beiden nächsten Weyl-Punkte in der kz=0-Ebene

FEIGE. 4. Phototopologischer Phasenübergang in Td-WTe2 für linear polarisiertes Licht, Photonenenergie (?) ω) und polarisationsrichtungsabhängiges Phasendiagramm (θ).