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

Des progrès ont été réalisés dans l'étude du mouvement ultrarapide des quasiparticules 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 brûlant dans le domaine de la physique de la matière condensée. En tant que nouveau concept de classification de la matière, l’ordre topologique, comme la symétrie, est un concept fondamental de la 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 de base dephases quantiques, transitions de phase quantique et excitation de nombreux éléments immobilisés dans des phases quantiques. Dans les matériaux topologiques, le couplage entre de nombreux degrés de liberté, comme 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 de base 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 le champ lumineux et leur structure atomique microscopique et leurs propriétés électroniques est devenue un objectif de recherche.

Le comportement de réponse photoélectrique des matériaux topologiques est étroitement lié 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 on s'attend à ce que ces effets puissent être utilisés dans la fabrication deappareils optiqueset la conception de cellules solaires, offrant des applications pratiques potentielles dans le futur. Par exemple, dans un semi-métal de Weyl, l'absorption d'un photon de lumière polarisée circulairement provoquera un retournement du spin, et afin de respecter la conservation du moment cinétique, l'excitation électronique des deux côtés du cône de Weyl sera distribuée asymétriquement le long du cône de Weyl. la direction de propagation de la lumière polarisée circulairement, appelée règle de sélection chirale (Figure 1).

L'étude théorique des phénomènes optiques non linéaires des matériaux topologiques adopte généralement la méthode combinant le calcul des propriétés de l'état fondamental des matériaux et l'analyse de la symétrie. Cependant, cette méthode présente certains défauts : elle ne dispose pas d'informations dynamiques en temps réel sur les porteurs excités dans l'espace de quantité de mouvement et dans l'espace réel, et elle ne peut pas établir une comparaison directe avec la méthode de détection expérimentale résolue en temps. Le couplage entre électrons-phonons et photons-phonons ne peut être envisagé. Et cela est crucial pour que certaines transitions de phase se produisent. De plus, cette analyse théorique basée sur la théorie des perturbations ne peut pas traiter les processus physiques sous le fort champ lumineux. La simulation de la dynamique moléculaire fonctionnelle de la densité en fonction du temps (TDDFT-MD) basée sur les premiers principes peut résoudre les problèmes ci-dessus.

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 des surfaces de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences/Centre national de recherche sur la matière concentrée de Pékin En physique, 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 auto-développé TDAP. Les caractéristiques de réponse de l'excitation des quasiparticules au laser ultrarapide dans le deuxième type de semi-métal Weyl WTe2 sont étudiées.

Il a été démontré que l'excitation sélective des porteurs près du point de Weyl est déterminée par la symétrie orbitale atomique et la règle de sélection de transition, qui est différente de la règle habituelle de sélection de spin pour l'excitation chirale, et que son chemin d'excitation peut être contrôlé en changeant la direction de polarisation. de lumière polarisée linéairement et d'énergie photonique (figure 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. Étant donné que les propriétés topologiques de WTe2, telles que le nombre de points de Weyl et le degré de séparation dans l'espace de quantité de mouvement, dépendent fortement de la symétrie du système (Figure 3), l'excitation asymétrique des porteurs entraînera un comportement différent de Weyl. quastiparticules dans l'espace de quantité de mouvement et changements correspondants dans les propriétés topologiques du système. Ainsi, l’étude fournit un diagramme de phase clair pour les transitions de phase phototopologique (Figure 4).

Les résultats montrent qu'il convient de prêter attention à 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 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 informatique 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 phénomènes optiques non linéaires dans les matériaux topologiques.

Les résultats sont dans la revue Nature Communications. Les travaux de recherche sont soutenus par le Plan national clé de recherche et de développement, la Fondation nationale des sciences naturelles et le projet pilote stratégique (catégorie B) de l'Académie chinoise des sciences.

FIG.1.a. La règle de sélection de chiralité pour les points de Weyl de signe de chiralité positif (χ=+1) sous lumière polarisée circulairement ; Excitation sélective due à la symétrie orbitale atomique au point de Weyl de b. χ=+1 en lumière polarisée en ligne

FIGUE. 2. Diagramme de structure atomique de a, Td-WTe2 ; b. Structure de bande près de la surface de Fermi ; (c) Structure des bandes et contributions relatives des orbitales atomiques réparties le long de lignes hautement symétriques 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 dans la direction Gamma-X

FIG.3.ab : Le mouvement relatif intercouche de la direction de polarisation de la lumière polarisée linéairement le long de l'axe A et de l'axe B du cristal, et le mode de mouvement correspondant sont illustrés ; C. Comparaison entre simulation théorique et observation expérimentale ; de : Evolution 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

FIGUE. 4. Transition de phase phototopologique dans Td-WTe2 pour l'énergie des photons lumineux polarisés linéairement (?) ω) et le diagramme de phase dépendant de la direction de polarisation (θ)