Des progrès ont été réalisés dans l'étude du mouvement ultrarapide des quasiparticules de Weil contrôlées par laser

Des progrès ont été réalisés dans l'étude du mouvement ultrarapide des quasiparticules de Weil contrôlées 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. En tant que nouveau concept de classification de la matière, l'ordre topologique, tout comme la symétrie, est un concept fondamental en physique de la matière condensée. Une compréhension approfondie de la topologie est liée aux problèmes fondamentaux de la physique de la matière condensée, tels que la structure électronique fondamentale dephases quantiques, transitions de phase quantiques et excitation de nombreux éléments immobilisés dans des phases quantiques. Dans les matériaux topologiques, le couplage entre de nombreux degrés de liberté, tels que les électrons, les phonons et le spin, joue un rôle décisif dans la compréhension et la régulation des propriétés des matériaux. L'excitation lumineuse peut être utilisée pour distinguer différentes interactions et manipuler l'état de la matière, et des informations sur les propriétés physiques fondamentales du matériau, les transitions de phase structurelles et les nouveaux états quantiques peuvent alors être obtenues. À l'heure actuelle, la relation entre le comportement macroscopique des matériaux topologiques pilotés par un champ lumineux et leur structure atomique microscopique et leurs propriétés électroniques est devenue un objectif de recherche.

La réponse photoélectrique des matériaux topologiques est étroitement liée à leur structure électronique microscopique. Pour les semi-métaux topologiques, l'excitation des porteurs près 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 nous aider à mieux comprendre les propriétés physiques des états excités du système, et ces effets devraient être exploités dans la fabrication dedispositifs optiqueset la conception de cellules solaires, offrant ainsi des applications pratiques potentielles à l'avenir. Par exemple, dans un semi-métal de Weyl, l'absorption d'un photon de lumière polarisée circulairement provoquera un retournement de spin. Afin de respecter la conservation du moment angulaire, l'excitation électronique de part et d'autre du cône de Weyl sera distribuée de manière asymétrique le long de la direction de propagation de la lumière polarisée circulairement, ce que l'on appelle la règle de sélection chirale (Figure 1).

L'étude théorique des phénomènes optiques non linéaires des matériaux topologiques adopte généralement une méthode combinant le calcul des propriétés de l'état fondamental du matériau et l'analyse de symétrie. Cependant, cette méthode présente quelques défauts : elle ne dispose pas d'informations dynamiques en temps réel sur les porteurs excités dans l'espace des impulsions et l'espace réel, et elle ne permet pas d'établir de comparaison directe avec la méthode de détection expérimentale résolue en temps. Le couplage électron-phonons et photons-phonons, pourtant crucial pour certaines transitions de phase, ne peut être pris en compte. De plus, cette analyse théorique basée sur la théorie des perturbations ne permet pas de traiter les processus physiques sous un champ lumineux intense. La simulation de la dynamique moléculaire fonctionnelle de la densité en fonction du temps (TDDFT-MD), basée sur les premiers principes, peut résoudre ces problèmes.

Français Récemment, sous la direction du chercheur Meng Sheng, du chercheur postdoctoral Guan Mengxue et du doctorant Wang En du groupe SF10 du laboratoire clé d'État de physique de surface de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences/Centre national de recherche de Pékin pour la physique de la matière concentrée, en collaboration avec le professeur Sun Jiatao de l'Institut de technologie de Pékin, ils ont utilisé le logiciel de simulation de dynamique d'état excité TDAP, développé par eux-mêmes. Les caractéristiques de réponse de l'excitation de quasi-particules à un laser ultrarapide dans le semi-métal de Weyl de deuxième type WTe2 sont étudiées.

Il a été démontré que l'excitation sélective des porteurs proches du point de Weyl est déterminée par la symétrie orbitale atomique et la règle de sélection de transition, qui est différente de la règle de sélection de spin habituelle pour l'excitation chirale, et 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 dans 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, dépendant fortement de la symétrie du système (figure 3), l'excitation asymétrique des porteurs induira un comportement différent des quasiparticules de Weyl dans l'espace des impulsions et des modifications correspondantes des propriétés topologiques du système. Ainsi, l'étude fournit un diagramme de phase clair pour les transitions de phase phototopologiques (figure 4).

Les résultats montrent qu'il convient d'étudier la chiralité de l'excitation des porteurs près du point de Weyl et d'analyser les propriétés orbitales atomiques de la fonction d'onde. Les effets des deux phénomènes sont similaires, mais le mécanisme est évidemment différent, ce qui fournit une base théorique pour expliquer la singularité des points de Weyl. De plus, la méthode de calcul adoptée 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 ultra-rapide, de révéler leurs mécanismes microphysiques et devrait constituer un outil puissant pour les recherches futures sur les phénomènes optiques non linéaires dans les matériaux topologiques.

Les résultats sont publiés dans la revue Nature Communications. Les travaux de recherche sont soutenus par le Plan national de recherche et développement, la Fondation nationale des sciences naturelles et le 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 signe positif (χ = +1) en lumière polarisée circulairement ; excitation sélective due à la symétrie orbitale atomique au point de Weyl de b. χ = +1 en lumière polarisée en ligne.

FIG. 2. Diagramme de structure atomique de a, Td-WTe2 ; b. Structure de bande près de la surface de Fermi ; c. Structure de bande et contributions relatives des orbitales atomiques réparties le long des lignes symétriques élevées dans la région de Brillouin ; les flèches (1) et (2) représentent respectivement l'excitation proche ou éloignée des points de Weyl ; d. Amplification de la structure de bande selon la direction Gamma-X.

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

FIG. 4. Transition de phase phototopologique dans Td-WTe2 pour un diagramme de phase dépendant de l'énergie des photons de lumière polarisée linéairement (?) ω) et de la direction de polarisation (θ)