Fortschritte wurden bei der Untersuchung der ultraschnellen Bewegung von Weil-Quasiteilchen erzielt, die durchLaser
In den letzten Jahren hat sich die theoretische und experimentelle Forschung zu topologischen Quantenzuständen und topologischen Quantenmaterialien zu einem wichtigen Thema in der Festkörperphysik entwickelt. Als neues Konzept der Materieklassifizierung ist die topologische Ordnung, ebenso wie die Symmetrie, ein grundlegendes Konzept in der Festkörperphysik. Ein tiefes Verständnis der Topologie ist mit den grundlegenden Problemen der Festkörperphysik verbunden, wie beispielsweise der grundlegenden elektronischen Struktur vonQuantenphasen, Quantenphasenübergänge und die 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 Materiezustand manipuliert werden. Dadurch können Informationen über die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Materials, strukturelle Phasenübergänge und neue Quantenzustände gewonnen werden. Derzeit ist der Zusammenhang zwischen dem makroskopischen Verhalten topologischer Materialien, die durch Lichtfelder angetrieben werden, und ihrer mikroskopischen Atomstruktur und ihren elektronischen Eigenschaften ein Forschungsziel.
Das photoelektrische Reaktionsverhalten topologischer Materialien hängt eng mit ihrer mikroskopischen elektronischen Struktur zusammen. Bei topologischen Halbmetallen ist die Ladungsträgeranregung nahe dem Bandschnittpunkt hochempfindlich gegenüber den 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. Es ist zu erwarten, dass diese Effekte bei der Herstellung vonoptische Geräteund die Entwicklung von Solarzellen, die in Zukunft potenzielle praktische Anwendungen bieten. Beispielsweise führt in einem Weyl-Halbmetall die Absorption eines Photons zirkular polarisierten Lichts zu einer Spin-Umkehr. Um die Drehimpulserhaltung zu gewährleisten, wird die Elektronenanregung auf beiden Seiten des Weyl-Kegels asymmetrisch entlang der Ausbreitungsrichtung des zirkular polarisierten Lichts verteilt. Dies wird als chirale Selektionsregel bezeichnet (Abbildung 1).
Die theoretische Untersuchung nichtlinearer optischer Phänomene topologischer Materialien kombiniert üblicherweise die Berechnung der Grundzustandseigenschaften des Materials mit einer Symmetrieanalyse. Diese Methode weist jedoch einige Mängel auf: Es fehlen dynamische Echtzeitinformationen zu angeregten Ladungsträgern im Impulsraum und im Realraum, und ein direkter Vergleich mit der zeitaufgelösten experimentellen Nachweismethode ist nicht möglich. Die Kopplung zwischen Elektron-Phononen und Photon-Phononen kann nicht berücksichtigt werden. Diese ist jedoch für das Auftreten bestimmter Phasenübergänge entscheidend. Darüber hinaus kann diese auf Störungstheorie basierende theoretische Analyse die physikalischen Prozesse in einem starken Lichtfeld nicht behandeln. Eine auf Grundprinzipien basierende zeitabhängige Dichtefunktional-Molekulardynamik-Simulation (TDDFT-MD) kann die oben genannten Probleme lösen.
Kürzlich untersuchten sie unter der Leitung des Forschers Meng Sheng, des Postdoktoranden Guan Mengxue und des Doktoranden 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 die Reaktionseigenschaften der Anregungszustandsdynamik mithilfe der selbst entwickelten Software TDAP. Dabei wurde die Anregung von Quastiteilchen durch einen ultraschnellen Laser im zweiten Weyl-Halbmetall WTe2 untersucht.
Es wurde gezeigt, dass die selektive Anregung von Trägern in der Nähe des Weyl-Punkts durch die atomare Orbitalsymmetrie und die Übergangsauswahlregel bestimmt wird, die sich von der üblichen Spinauswahlregel für chirale Anregung unterscheidet, und dass ihr Anregungspfad durch Änderung der Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht und Photonenenergie gesteuert werden kann (Abb. 2).
Die asymmetrische Anregung von Trägern induziert Photoströme in unterschiedliche Richtungen im Realraum, was die Richtung und Symmetrie des Zwischenschichtgleitens 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 Trägern zu unterschiedlichem Verhalten der Weyl-Quastiteilchen im Impulsraum und entsprechenden Änderungen der topologischen Eigenschaften des Systems. Somit liefert die Studie ein klares Phasendiagramm für phototopologische Phasenübergänge (Abbildung 4).
Die Ergebnisse zeigen, dass die Chiralität der Trägeranregung in der Nähe des Weyl-Punkts beachtet und die atomaren Orbitaleigenschaften der Wellenfunktion analysiert werden sollten. Die Effekte beider sind ähnlich, der Mechanismus unterscheidet sich jedoch deutlich, was eine theoretische Grundlage für die Erklärung der Singularität der Weyl-Punkte liefert. Darüber hinaus ermöglicht die in dieser Studie angewandte Berechnungsmethode ein tiefgreifendes Verständnis der komplexen Wechselwirkungen und dynamischen Verhaltensweisen auf atomarer und elektronischer Ebene in extrem kurzer Zeit, deckt deren mikrophysikalische Mechanismen auf und dürfte ein leistungsfähiges Werkzeug für die zukünftige Forschung zu nichtlinearen optischen Phänomenen in topologischen Materialien sein.
Die Ergebnisse sind in der Fachzeitschrift Nature Communications erschienen. 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 gefördert.
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
Abb. 2. Atomstrukturdiagramm von a, Td-WTe2; b. Bandstruktur in der Nähe der Fermi-Oberfläche; (c) Bandstruktur und relative Beiträge von Atomorbitalen, verteilt entlang hochsymmetrischer Linien im Brillouin-Bereich, Pfeile (1) und (2) stellen Anregungen nahe bzw. fern von Weyl-Punkten dar; d. Verstärkung der Bandstruktur entlang der Gamma-X-Richtung
ABB.3.ab: Die relative Zwischenschichtbewegung der Polarisationsrichtung linear polarisierten Lichts entlang der A- und B-Achse des Kristalls und der entsprechende Bewegungsmodus werden dargestellt; C. Vergleich zwischen theoretischer Simulation und experimenteller Beobachtung; de: Symmetrieentwicklung des Systems und Position, Anzahl und Trennungsgrad der beiden nächstgelegenen Weyl-Punkte in der kz=0-Ebene
Abb. 4. Phototopologischer Phasenübergang in Td-WTe2 für linear polarisiertes Licht, Photonenenergie (?) ω) und Polarisationsrichtung (θ) abhängiges Phasendiagramm
Veröffentlichungszeit: 25. September 2023