Des progrès ont été réalisés dans l'étude du mouvement ultrarapide des quasi-particules de Weil contrôlées par laser.

Des progrès ont été réalisés dans l'étude du mouvement ultrarapide des quasi-particules de Weil contrôlé parlasers

Ces dernières années, la recherche théorique et expérimentale sur les états quantiques topologiques et les matériaux quantiques topologiques est devenue un sujet d'actualité en physique de la matière condensée. Concept nouveau de classification de la matière, l'ordre topologique, à l'instar de la symétrie, est fondamental en physique de la matière condensée. Une compréhension approfondie de la topologie est liée à des problèmes fondamentaux de cette discipline, tels que la structure électronique fondamentale.phases quantiquesLes transitions de phase quantiques et l'excitation de nombreux éléments immobilisés dans des phases quantiques sont des phénomènes importants. Dans les matériaux topologiques, le couplage entre de nombreux degrés de liberté, tels que les électrons, les phonons et le spin, joue un rôle déterminant dans la compréhension et la régulation des propriétés des matériaux. L'excitation lumineuse permet de distinguer différentes interactions et de manipuler l'état de la matière, ce qui permet d'obtenir des informations sur les propriétés physiques fondamentales du matériau, les transitions de phase structurelles et les nouveaux états quantiques. Actuellement, la relation entre le comportement macroscopique des matériaux topologiques induit par un champ lumineux et leur structure atomique microscopique et leurs propriétés électroniques constitue un axe de recherche majeur.

Le comportement de la réponse photoélectrique des matériaux topologiques est étroitement lié à leur structure électronique microscopique. Pour les semi-métaux topologiques, l'excitation des porteurs au voisinage de l'intersection des bandes est très sensible aux caractéristiques de la fonction d'onde du système. L'étude des phénomènes optiques non linéaires dans les semi-métaux topologiques peut contribuer à une meilleure compréhension des propriétés physiques des états excités du système, et l'on s'attend à ce que ces effets puissent être exploités dans la fabrication de…dispositifs optiqueset la conception de cellules solaires, offrant des applications pratiques potentielles à l'avenir. Par exemple, dans un semi-métal de Weyl, l'absorption d'un photon de lumière polarisée circulairement provoque un renversement de spin. Afin de respecter la conservation du moment angulaire, l'excitation électronique de part et d'autre du cône de Weyl est distribuée de manière asymétrique le long de la direction de propagation de la lumière polarisée circulairement ; c'est ce qu'on appelle la règle de sélection chirale (figure 1).

L'étude théorique des phénomènes optiques non linéaires des matériaux topologiques repose généralement sur une méthode combinant le calcul des propriétés de l'état fondamental du matériau et l'analyse de symétrie. Cependant, cette méthode présente des lacunes : elle ne fournit pas d'informations dynamiques en temps réel sur les porteurs excités dans l'espace des impulsions et l'espace réel, et ne permet pas de comparaison directe avec les méthodes de détection expérimentales résolues en temps. Le couplage électron-phonon et photon-phonon, pourtant crucial pour l'occurrence de certaines transitions de phase, n'est pas pris en compte. De plus, cette analyse théorique, basée sur la théorie des perturbations, ne permet pas de traiter les processus physiques sous champ lumineux intense. La simulation de dynamique moléculaire fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT-MD), basée sur les premiers principes, permet de résoudre ces problèmes.

Récemment, sous la direction du chercheur Meng Sheng, du chercheur postdoctoral Guan Mengxue et du doctorant Wang En, membres du groupe SF10 du Laboratoire national clé de physique des surfaces de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences/Centre national de recherche de Pékin sur la physique de la matière concentrée, et en collaboration avec le professeur Sun Jiatao de l'Institut de technologie de Pékin, ils ont utilisé le logiciel de simulation de la dynamique des états excités TDAP, développé en interne. Les caractéristiques de réponse de l'excitation de quasiparticules par un laser ultrarapide dans le semi-métal de Weyl de deuxième type WTe₂ ont été étudiées.

Il a été démontré que l'excitation sélective des porteurs près du point de Weyl est déterminée par la symétrie des orbitales atomiques et la règle de sélection de transition, qui est différente de la règle de sélection de spin habituelle pour l'excitation chirale, et que son chemin d'excitation peut être contrôlé en changeant la direction de polarisation de la lumière polarisée linéairement et l'énergie des photons (FIG. 2).

L'excitation asymétrique des porteurs induit des photocourants dans différentes directions de l'espace réel, ce qui affecte la direction et la symétrie du glissement intercouche du système. Les propriétés topologiques du WTe₂, telles que le nombre de points de Weyl et le degré de séparation dans l'espace des impulsions, étant fortement dépendantes de la symétrie du système (figure 3), l'excitation asymétrique des porteurs entraîne un comportement différent des quasiparticules de Weyl dans l'espace des impulsions et des modifications correspondantes des propriétés topologiques du système. Ainsi, cette étude fournit un diagramme de phase clair pour les transitions de phase phototopologiques (figure 4).

Les résultats montrent qu'il convient de s'intéresser à la chiralité de l'excitation des porteurs au voisinage du point de Weyl et d'analyser les propriétés des orbitales atomiques de la fonction d'onde. Bien que leurs effets soient similaires, leurs mécanismes diffèrent sensiblement, ce qui fournit une base théorique pour expliquer la singularité des points de Weyl. De plus, la méthode de calcul employée dans cette étude permet de comprendre en profondeur les interactions complexes et les comportements dynamiques aux niveaux atomique et électronique à une échelle de temps extrêmement rapide, de révéler leurs mécanismes microphysiques et devrait constituer un outil précieux pour les recherches futures sur les phénomènes optiques non linéaires dans les matériaux topologiques.

Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications. Ces travaux de recherche ont bénéficié du soutien du Plan national clé de recherche et développement, de la Fondation nationale des sciences naturelles et du Projet pilote stratégique (catégorie B) de l'Académie chinoise des sciences.

FIG. 1.a. Règle de sélection de la chiralité pour les points de Weyl de chiralité positive (χ = +1) sous lumière polarisée circulairement ; excitation sélective due à la symétrie des orbitales atomiques au point de Weyl de b. χ = +1 en lumière polarisée en ligne

Figure 2. Diagramme de structure atomique de a, Td-WTe2 ; b. Structure de bandes au voisinage de la surface de Fermi ; c. Structure de bandes et contributions relatives des orbitales atomiques distribuées le long des lignes de haute symétrie dans la région de Brillouin ; les flèches (1) et (2) représentent respectivement une excitation proche ou éloignée des points de Weyl ; d. Amplification de la structure de bandes selon la direction Γ-X

FIG. 3.ab : Mouvement relatif intercouche de la direction de polarisation de la lumière polarisée linéairement le long des axes A et B du cristal, et mode de mouvement correspondant. C : Comparaison entre la simulation théorique et l'observation expérimentale. D : Évolution de la symétrie du système et position, nombre et degré de séparation des deux points de Weyl les plus proches dans le plan kz=0.

Figure 4. Diagramme de phase de la transition de phase phototopologique dans Td-WTe2 pour une lumière polarisée linéairement, en fonction de l'énergie des photons (ω) et de la direction de polarisation (θ).