Bei der Untersuchung der ultraschnellen Bewegung von Weil-Quasiteilchen, die durchLaser
In den letzten Jahren hat sich die theoretische und experimentelle Forschung zu topologischen Quantenzuständen und topologischen Quantenmaterialien zu einem zentralen Thema der Festkörperphysik entwickelt. Topologische Ordnung ist, ähnlich wie Symmetrie, ein fundamentales Konzept der Festkörperphysik und stellt somit ein neues Konzept der Materieklassifizierung dar. Ein tiefes Verständnis der Topologie ist eng mit grundlegenden Problemen der Festkörperphysik verknüpft, wie beispielsweise der grundlegenden elektronischen Struktur von Elektronen.QuantenphasenQuantenphasenübergänge und die Anregung vieler immobilisierter Elemente in Quantenphasen stehen im Fokus der Forschung. In topologischen Materialien spielt die Kopplung zwischen zahlreichen Freiheitsgraden, wie Elektronen, Phononen und Spin, eine entscheidende Rolle für das Verständnis und die Steuerung der Materialeigenschaften. Lichtanregung ermöglicht es, verschiedene Wechselwirkungen zu unterscheiden und den Materiezustand zu manipulieren. Dadurch lassen sich Informationen über die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Materials, strukturelle Phasenübergänge und neue Quantenzustände gewinnen. Aktuell ist die Erforschung des Zusammenhangs zwischen dem makroskopischen Verhalten topologischer Materialien unter Lichteinwirkung und ihrer mikroskopischen Atomstruktur sowie ihren elektronischen Eigenschaften ein zentrales Forschungsziel.
Das photoelektrische Ansprechverhalten topologischer Materialien ist eng mit ihrer mikroskopischen elektronischen Struktur verknüpft. Bei topologischen Halbmetallen reagiert die Ladungsträgeranregung nahe der Bandüberschneidung äußerst empfindlich auf die Wellenfunktionseigenschaften des Systems. Die Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene in topologischen Halbmetallen trägt zu einem besseren Verständnis der physikalischen Eigenschaften angeregter Zustände des Systems bei, und es wird erwartet, dass diese Effekte in der Herstellung von … genutzt werden können.optische Geräteund die Entwicklung von Solarzellen, die zukünftig potenzielle praktische Anwendungen ermöglichen. Beispielsweise führt die Absorption eines Photons zirkular polarisierten Lichts in einem Weyl-Halbmetall zu einer Spinumkehr. Um die Drehimpulserhaltung zu gewährleisten, ist die Elektronenanregung auf beiden Seiten des Weyl-Kegels asymmetrisch entlang der Ausbreitungsrichtung des zirkular polarisierten Lichts verteilt. Dies wird als chirale Auswahlregel bezeichnet (Abbildung 1).
Die theoretische Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene topologischer Materialien kombiniert üblicherweise die Berechnung von Materialgrundzustandseigenschaften mit einer Symmetrieanalyse. Diese Methode weist jedoch einige Mängel auf: Sie liefert keine Echtzeit-Informationen zur Dynamik angeregter Ladungsträger im Impuls- und Ortsraum und ermöglicht keinen direkten Vergleich mit zeitaufgelösten experimentellen Messungen. Die Kopplung zwischen Elektron-Phononen und Photon-Phononen kann nicht berücksichtigt werden, obwohl sie für das Auftreten bestimmter Phasenübergänge entscheidend ist. Zudem kann diese auf der Störungstheorie basierende theoretische Analyse physikalische Prozesse unter dem Einfluss starker Lichtfelder nicht beschreiben. Die zeitabhängige Dichtefunktional-Molekulardynamik-Simulation (TDDFT-MD) auf Basis von Ab-initio-Berechnungen kann diese Probleme lösen.
Kürzlich untersuchten Forscher Meng Sheng, Postdoktorand Guan Mengxue und Doktorand Wang En von der SF10-Gruppe des Staatlichen Schlüssellabors für Oberflächenphysik des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften/Nationalen Forschungszentrums für Physik konzentrierter Materie Peking in Zusammenarbeit mit Professor Sun Jiatao vom Beijing Institute of Technology mithilfe der selbstentwickelten Simulationssoftware TDAP zur Simulation der Dynamik angeregter Zustände die Ansprechcharakteristika der Quasiteilchenanregung durch ultraschnelle Laserstrahlung im Weyl-Halbmetall WTe₂ zweiter Art.
Es wurde gezeigt, dass die selektive Anregung von Ladungsträgern in der Nähe des Weyl-Punktes durch die Atomorbitalsymmetrie und die Übergangsauswahlregel bestimmt wird, was sich von der üblichen Spinauswahlregel für chirale Anregung unterscheidet, und dass ihr Anregungspfad durch Änderung der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht und der Photonenenergie gesteuert werden kann (Abb. 2).
Die asymmetrische Anregung von Ladungsträgern induziert Photoströme in unterschiedlichen Richtungen im realen Raum, was die Richtung und Symmetrie der Schichtgleitung des Systems beeinflusst. 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 unterschiedlichem Verhalten der Weyl-Quastiteilchen im Impulsraum und entsprechenden Änderungen der topologischen Eigenschaften des Systems. Die Studie liefert somit ein klares Phasendiagramm für phototopologische Phasenübergänge (Abbildung 4).
Die Ergebnisse zeigen, dass die Chiralität der Ladungsträgeranregung in der Nähe des Weyl-Punktes beachtet und die atomaren Orbitaleigenschaften der Wellenfunktion analysiert werden sollten. Die Effekte beider Aspekte sind ähnlich, der zugrundeliegende Mechanismus jedoch deutlich unterschiedlich. Dies liefert eine theoretische Grundlage zur Erklärung der Singularität von Weyl-Punkten. Darüber hinaus ermöglicht die in dieser Studie angewandte Rechenmethode ein tiefgreifendes Verständnis der komplexen Wechselwirkungen und dynamischen Verhaltensweisen auf atomarer und elektronischer Ebene in extrem kurzen Zeiträumen, deckt deren mikrophysikalische Mechanismen auf und dürfte sich als leistungsstarkes Werkzeug für zukünftige Forschungen zu nichtlinearen optischen Phänomenen in topologischen Materialien erweisen.
Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Die Forschungsarbeit wurde durch den Nationalen Schlüsselplan für Forschung und Entwicklung, die Nationale Naturwissenschaftliche Stiftung und das Strategische Pilotprojekt (Kategorie B) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften gefördert.
Abb. 1a. Die Chiralitätsauswahlregel für Weyl-Punkte mit positivem Chiralitätsvorzeichen (χ = +1) unter zirkular polarisiertem Licht; selektive Anregung aufgrund der atomaren Orbitalsymmetrie am Weyl-Punkt b. χ = +1 in direkt polarisiertem Licht
Abb. 2. Atomstrukturdiagramm von a) Td-WTe₂; b) Bandstruktur nahe der Fermi-Fläche; c) Bandstruktur und relative Beiträge von Atomorbitalen entlang hochsymmetrischer Linien in der Brillouin-Region; Pfeile (1) und (2) kennzeichnen Anregungen nahe bzw. fern von Weyl-Punkten; d) Verstärkung der Bandstruktur entlang der Γ-X-Richtung
Abb. 3a: Die relative Bewegung der Polarisationsrichtung linear polarisierten Lichts zwischen den Schichten entlang der A- und B-Achse des Kristalls sowie der zugehörige Bewegungsmodus werden dargestellt; c: Vergleich zwischen theoretischer Simulation und experimenteller Beobachtung; d: Symmetrieentwicklung des Systems und Position, Anzahl und Abstand der beiden nächstgelegenen Weyl-Punkte in der kz=0-Ebene.
Abb. 4. Phototopologischer Phasenübergang in Td-WTe₂ für linear polarisiertes Licht in Abhängigkeit von der Photonenenergie (?) ω) und der Polarisationsrichtung (θ) (Phasendiagramm)
Veröffentlichungsdatum: 25. September 2023