Đã có những tiến bộ trong nghiên cứu về chuyển động siêu nhanh của các hạt giả Weil được điều khiển bởi...tia laser
Trong những năm gần đây, nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về trạng thái lượng tử tôpô và vật liệu lượng tử tôpô đã trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực vật lý chất rắn. Là một khái niệm mới về phân loại vật chất, trật tự tôpô, giống như đối xứng, là một khái niệm cơ bản trong vật lý chất rắn. Hiểu biết sâu sắc về tôpô có liên quan đến các vấn đề cơ bản trong vật lý chất rắn, chẳng hạn như cấu trúc điện tử cơ bản của...pha lượng tửCác chuyển pha lượng tử và sự kích thích của nhiều phần tử bất động trong các pha lượng tử. Trong vật liệu tôpô, sự ghép nối giữa nhiều bậc tự do, chẳng hạn như electron, phonon và spin, đóng vai trò quyết định trong việc hiểu và điều chỉnh các tính chất vật liệu. Kích thích ánh sáng có thể được sử dụng để phân biệt giữa các tương tác khác nhau và thao tác trạng thái vật chất, từ đó thu được thông tin về các tính chất vật lý cơ bản của vật liệu, các chuyển pha cấu trúc và các trạng thái lượng tử mới. Hiện nay, mối quan hệ giữa hành vi vĩ mô của vật liệu tôpô được điều khiển bởi trường ánh sáng và cấu trúc nguyên tử vi mô cũng như các tính chất điện tử của chúng đã trở thành một mục tiêu nghiên cứu.
Tính chất phản ứng quang điện của vật liệu tôpô học có liên quan mật thiết đến cấu trúc điện tử vi mô của chúng. Đối với bán kim loại tôpô học, sự kích thích hạt tải điện gần giao điểm dải năng lượng rất nhạy cảm với đặc tính hàm sóng của hệ thống. Nghiên cứu các hiện tượng quang học phi tuyến trong bán kim loại tôpô học có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các tính chất vật lý của trạng thái kích thích của hệ thống, và người ta kỳ vọng rằng những hiệu ứng này có thể được sử dụng trong sản xuất.thiết bị quang họcvà thiết kế pin mặt trời, cung cấp các ứng dụng thực tiễn tiềm năng trong tương lai. Ví dụ, trong chất bán kim loại Weyl, việc hấp thụ một photon ánh sáng phân cực tròn sẽ làm cho spin bị đảo chiều, và để đáp ứng định luật bảo toàn động lượng góc, sự kích thích electron ở cả hai phía của nón Weyl sẽ được phân bố không đối xứng dọc theo hướng truyền của ánh sáng phân cực tròn, được gọi là quy tắc chọn lọc chiral (Hình 1).
Nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng quang học phi tuyến của vật liệu tôpô thường áp dụng phương pháp kết hợp tính toán các tính chất trạng thái cơ bản của vật liệu và phân tích đối xứng. Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm: nó thiếu thông tin động theo thời gian thực của các hạt tải điện bị kích thích trong không gian động lượng và không gian thực, và nó không thể thiết lập sự so sánh trực tiếp với phương pháp phát hiện thực nghiệm theo thời gian. Sự ghép nối giữa electron-phonon và photon-phonon không thể được xem xét. Và điều này rất quan trọng để một số chuyển pha xảy ra. Ngoài ra, phân tích lý thuyết dựa trên lý thuyết nhiễu loạn này không thể xử lý các quá trình vật lý dưới trường ánh sáng mạnh. Mô phỏng động lực học phân tử hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT-MD) dựa trên các nguyên lý đầu tiên có thể giải quyết các vấn đề trên.
Gần đây, dưới sự hướng dẫn của nhà nghiên cứu Meng Sheng, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Guan Mengxue và nghiên cứu sinh tiến sĩ Wang En thuộc nhóm SF10 của Phòng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Vật lý bề mặt thuộc Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc/Trung tâm nghiên cứu quốc gia Bắc Kinh về Vật lý vật chất tập trung, phối hợp với Giáo sư Sun Jiatao của Viện Công nghệ Bắc Kinh, họ đã sử dụng phần mềm mô phỏng động lực trạng thái kích thích tự phát triển TDAP để nghiên cứu đặc tính phản ứng của sự kích thích bán hạt đối với laser siêu nhanh trong chất bán kim loại Weyl loại hai WTe2.
Người ta đã chứng minh rằng sự kích thích chọn lọc các hạt tải điện gần điểm Weyl được xác định bởi tính đối xứng quỹ đạo nguyên tử và quy tắc chọn lọc chuyển tiếp, khác với quy tắc chọn lọc spin thông thường đối với kích thích chiral, và đường dẫn kích thích của nó có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi hướng phân cực của ánh sáng phân cực tuyến tính và năng lượng photon (Hình 2).
Sự kích thích không đối xứng của các hạt tải điện tạo ra dòng quang điện theo các hướng khác nhau trong không gian thực, điều này ảnh hưởng đến hướng và tính đối xứng của sự trượt giữa các lớp của hệ thống. Vì các tính chất tôpô của WTe2, chẳng hạn như số điểm Weyl và mức độ phân tách trong không gian động lượng, phụ thuộc rất nhiều vào tính đối xứng của hệ thống (Hình 3), nên sự kích thích không đối xứng của các hạt tải điện sẽ dẫn đến hành vi khác nhau của các hạt giả Weyl trong không gian động lượng và những thay đổi tương ứng trong các tính chất tôpô của hệ thống. Do đó, nghiên cứu này cung cấp một sơ đồ pha rõ ràng cho các chuyển pha quang tôpô (Hình 4).
Kết quả cho thấy cần chú ý đến tính chất bất đối xứng của sự kích thích hạt tải điện gần điểm Weyl, và cần phân tích các tính chất quỹ đạo nguyên tử của hàm sóng. Tác động của hai yếu tố này tương tự nhau nhưng cơ chế rõ ràng là khác nhau, điều này cung cấp cơ sở lý thuyết để giải thích tính chất kỳ dị của điểm Weyl. Ngoài ra, phương pháp tính toán được áp dụng trong nghiên cứu này có thể hiểu sâu sắc các tương tác phức tạp và hành vi động học ở cấp độ nguyên tử và điện tử trong thang thời gian siêu nhanh, làm sáng tỏ các cơ chế vi vật lý của chúng, và được kỳ vọng sẽ là một công cụ mạnh mẽ cho các nghiên cứu trong tương lai về hiện tượng quang học phi tuyến trong vật liệu tôpô.
Kết quả nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí Nature Communications. Công trình nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Kế hoạch Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia, Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia và Dự án Thí điểm Chiến lược (Hạng B) của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.
Hình 1.a. Quy tắc chọn lọc tính chất đối xứng quang học cho các điểm Weyl có dấu tính chất đối xứng quang học dương (χ=+1) dưới ánh sáng phân cực tròn; Kích thích chọn lọc do tính đối xứng quỹ đạo nguyên tử tại điểm Weyl của b. χ=+1 trong ánh sáng phân cực trực tuyến.
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc nguyên tử của a, Td-WTe2; b. Cấu trúc dải năng lượng gần bề mặt Fermi; (c) Cấu trúc dải năng lượng và sự đóng góp tương đối của các obitan nguyên tử phân bố dọc theo các đường đối xứng cao trong vùng Brillouin, mũi tên (1) và (2) lần lượt biểu thị sự kích thích gần hoặc xa các điểm Weyl; d. Sự khuếch đại của cấu trúc dải năng lượng dọc theo hướng Gamma-X.
Hình 3.ab: Minh họa chuyển động tương đối giữa các lớp của hướng phân cực ánh sáng tuyến tính dọc theo trục A và trục B của tinh thể, và chế độ chuyển động tương ứng; C. So sánh giữa mô phỏng lý thuyết và quan sát thực nghiệm; de: Sự tiến hóa đối xứng của hệ thống và vị trí, số lượng và mức độ phân tách của hai điểm Weyl gần nhất trong mặt phẳng kz=0.
HÌNH 4. Sơ đồ pha phụ thuộc vào năng lượng photon ánh sáng phân cực tuyến tính (ω) và hướng phân cực (θ) trong Td-WTe2.
Thời gian đăng bài: 25/09/2023