Sò stati fatti progressi in u studiu di u muvimentu ultraveloce di e quasiparticelle di Weil cuntrullate dalaser
In l'ultimi anni, a ricerca teorica è sperimentale nantu à i stati quantichi topologichi è i materiali quantichi topologichi hè diventata un tema caldu in u campu di a fisica di a materia condensata. Cum'è un novu cuncettu di classificazione di a materia, l'ordine topologicu, cum'è a simmetria, hè un cuncettu fundamentale in a fisica di a materia condensata. Una cunniscenza prufonda di a topologia hè ligata à i prublemi basi di a fisica di a materia condensata, cum'è a struttura elettronica basica difasi quantiche, transizioni di fase quantica è eccitazione di parechji elementi immobilizzati in fasi quantiche. In i materiali topologichi, l'accoppiamentu trà parechji gradi di libertà, cum'è l'elettroni, i fononi è u spin, ghjoca un rolu decisivu in a comprensione è a regulazione di e proprietà di i materiali. L'eccitazione di a luce pò esse aduprata per distingue trà diverse interazioni è manipulà u statu di a materia, è l'infurmazioni nantu à e proprietà fisiche basiche di u materiale, e transizioni di fase strutturali è i novi stati quantici ponu esse ottenute. Attualmente, a relazione trà u cumpurtamentu macroscopicu di i materiali topologichi guidati da u campu luminosu è a so struttura atomica microscopica è e proprietà elettroniche hè diventata un scopu di ricerca.
U cumpurtamentu di risposta fotoelettrica di i materiali topologichi hè strettamente ligatu à a so struttura elettronica microscopica. Per i semimetalli topologichi, l'eccitazione di u purtatore vicinu à l'intersezione di a banda hè assai sensibile à e caratteristiche di a funzione d'onda di u sistema. U studiu di i fenomeni ottici non lineari in i semimetalli topologichi pò aiutà à capisce megliu e proprietà fisiche di i stati eccitati di u sistema, è si prevede chì questi effetti possinu esse aduprati in a fabricazione didispositivi otticiè a cuncepzione di e cellule solari, chì furnisce potenziali applicazioni pratiche in u futuru. Per esempiu, in un semi-metallu Weyl, l'assorbimentu di un fotone di luce polarizzata circularmente farà chì u spin si inverta, è per rispettà a cunservazione di u mumentu angulare, l'eccitazione elettronica da i dui lati di u conu Weyl serà distribuita asimmetricamente longu a direzzione di a propagazione di a luce polarizzata circularmente, chì hè chjamata regula di selezzione chirale (Figura 1).
U studiu teoricu di i fenomeni ottici non lineari di i materiali topologichi adotta di solitu u metudu di cumbinazione di u calculu di e proprietà di u statu fundamentale di u materiale è l'analisi di a simmetria. Tuttavia, questu metudu hà qualchi difetti: manca l'infurmazioni dinamiche in tempu reale di i purtatori eccitati in u spaziu di u momentum è in u spaziu reale, è ùn pò micca stabilisce una paragone diretta cù u metudu di rilevazione sperimentale risolta in u tempu. L'accoppiamentu trà elettroni-fononi è fotoni-fononi ùn pò esse cunsideratu. È questu hè cruciale per chì certe transizioni di fase si verifichinu. Inoltre, sta analisi teorica basata nantu à a teoria di e perturbazioni ùn pò micca trattà i prucessi fisichi sottu à u campu di luce forte. A simulazione di a dinamica moleculare funzionale di a densità dipendente da u tempu (TDDFT-MD) basata nantu à i primi principii pò risolve i prublemi sopra menzionati.
Recentemente, sottu a guida di u ricercatore Meng Sheng, u ricercatore postdottoratu Guan Mengxue è u studiente di dutturatu Wang En di u Gruppu SF10 di u Laboratoriu Chjave Statale di Fisica di Superficie di l'Istitutu di Fisica di l'Accademia Cinese di Scienze/Centru Naziunale di Ricerca per a Fisica di a Materia Cuncintrata di Pechino, in cullaburazione cù u prufessore Sun Jiatao di l'Istitutu di Tecnulugia di Pechino, anu utilizatu u software di simulazione di dinamica di statu eccitatu TDAP, sviluppatu da elli stessi. E caratteristiche di risposta di l'eccitazione di quastiparticelle à laser ultraveloce in u secondu tipu di semi-metallu Weyl WTe2 sò state studiate.
Hè statu dimustratu chì l'eccitazione selettiva di i purtatori vicinu à u puntu di Weyl hè determinata da a simmetria orbitale atomica è a regula di selezzione di transizione, chì hè diversa da a regula di selezzione di spin abituale per l'eccitazione chirale, è u so percorsu d'eccitazione pò esse cuntrullatu cambiendu a direzzione di polarizazione di a luce polarizzata linearmente è di l'energia di i fotoni (FIG. 2).
L'eccitazione asimmetrica di i purtatori induce fotocorrenti in diverse direzzione in u spaziu reale, ciò chì affetta a direzzione è a simmetria di u scivulamentu interstratu di u sistema. Siccomu e proprietà topologiche di WTe2, cum'è u numeru di punti Weyl è u gradu di separazione in u spaziu di u momentum, dipendenu assai da a simmetria di u sistema (Figura 3), l'eccitazione asimmetrica di i purtatori purterà à un cumpurtamentu diversu di e quasiparticelle di Weyl in u spaziu di u momentum è à cambiamenti currispondenti in e proprietà topologiche di u sistema. Cusì, u studiu furnisce un diagramma di fase chjaru per e transizioni di fase fototopologiche (Figura 4).
I risultati mostranu chì a chiralità di l'eccitazione di u purtatore vicinu à u puntu di Weyl deve esse attenta, è e proprietà orbitali atomiche di a funzione d'onda devenu esse analizate. L'effetti di i dui sò simili, ma u mecanismu hè ovviamente differente, ciò chì furnisce una basa teorica per spiegà a singularità di i punti di Weyl. Inoltre, u metudu computazionale aduttatu in questu studiu pò capisce prufundamente l'interazioni cumplesse è i cumpurtamenti dinamici à i livelli atomicu è elettronicu in una scala di tempu super-rapida, rivelà i so meccanismi microfisichi, è si prevede chì serà un strumentu putente per a ricerca futura nantu à i fenomeni ottici non lineari in i materiali topologichi.
I risultati sò in a rivista Nature Communications. U travagliu di ricerca hè sustinutu da u Pianu Naziunale Chjave di Ricerca è Sviluppu, a Fundazione Naziunale di Scienze Naturali è u Prughjettu Pilota Strategicu (Categoria B) di l'Accademia Cinese di Scienze.
FIG.1.a. A regula di selezzione di chiralità per i punti Weyl cù un segnu di chiralità pusitivu (χ = +1) sottu à luce polarizzata circularmente; Eccitazione selettiva per via di a simmetria orbitale atomica à u puntu Weyl di b. χ = +1 in luce polarizzata in linea
FIG. 2. Diagramma di a struttura atomica di a, Td-WTe2; b. Struttura di banda vicinu à a superficia di Fermi; (c) Struttura di banda è cuntributi relativi di l'orbitali atomichi distribuiti longu à linee altamente simmetriche in a regione di Brillouin, e frecce (1) è (2) rapprisentanu l'eccitazione vicinu o luntanu da i punti di Weyl, rispettivamente; d. Amplificazione di a struttura di banda longu à a direzzione Gamma-X
FIG.3.ab: U muvimentu relativu interstratu di a direzzione di polarizazione di a luce polarizzata linearmente longu l'asse A è l'asse B di u cristallu, è u modu di muvimentu currispundente hè illustratu; C. Paragone trà a simulazione teorica è l'osservazione sperimentale; de: Evoluzione di a simmetria di u sistema è a pusizione, u numeru è u gradu di separazione di i dui punti Weyl più vicini in u pianu kz=0
FIG. 4. Transizione di fase fototopologica in Td-WTe2 per un diagramma di fase dipendente da l'energia di i fotoni di luce polarizzata linearmente (?) ω) è a direzzione di polarizazione (θ).
Data di publicazione: 25 di settembre di u 2023