Tiến bộ đã được thực hiện trong nghiên cứu chuyển động cực nhanh của các hạt bán Weil được điều khiển bởitia 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 vật chất ngưng tụ. Là một khái niệm mới về phân loại vật chất, trật tự tôpô, giống như tính đối xứng, là một khái niệm cơ bản trong vật lý vật chất ngưng tụ. Hiểu biết sâu sắc về tôpô liên quan đến các vấn đề cơ bản trong vật lý vật chất ngưng tụ, chẳng hạn như cấu trúc điện tử cơ bản củacác pha lượng tử, chuyển pha lượng tử và sự kích thích của nhiều nguyên tố bất động trong pha lượng tử. Trong vật liệu tôpô, sự kết hợp 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 các tương tác khác nhau và thao tác trạng thái vật chất, từ đó có thể thu được thông tin về các tính chất vật lý cơ bản, chuyển pha cấu trúc và các trạng thái lượng tử mới của vật liệu. 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.
Hành vi đáp ứng quang điện của vật liệu tôpô liên quan chặt chẽ đến cấu trúc điện tử vi mô của nó. Đối với bán kim loại tôpô, sự kích thích hạt tải điện gần giao điểm dải 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 có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn các tính chất vật lý của các trạng thái kích thích của hệ thống, và người ta kỳ vọng rằng những hiệu ứng này có thể được sử dụng trong sản xuấtthiết bị quang họcvà thiết kế pin mặt trời, mang lại những ứng dụng thực tế tiềm năng trong tương lai. Ví dụ, trong bán kim loại Weyl, việc hấp thụ một photon ánh sáng phân cực tròn sẽ làm đảo chiều spin, và để đáp ứng định luật bảo toàn mômen động lượng, sự kích thích electron ở cả hai phía của hình nón Weyl sẽ được phân bố không đối xứng theo hướng truyền 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 đặc tính trạng thái cơ bản của vật liệu và phân tích đối xứng. Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm: thiếu thông tin động lực học thời gian thực của các hạt mang kích thích trong không gian động lượng và không gian thực, và không thể thiết lập sự so sánh trực tiếp với phương pháp phát hiện thực nghiệm phân giải theo thời gian. Không thể xem xét sự ghép nối giữa electron-phonon và photon-phonon. Và điều này rất quan trọng để xảy ra một số chuyển pha. Ngoài ra, phân tích lý thuyết dựa trên lý thuyết nhiễu loạn này không thể xử lý các quá trình vật lý trong 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 Mạnh Thịnh, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Quan Mạnh Tuyết và nghiên cứu sinh tiến sĩ Vương Ân thuộc Nhóm SF10 thuộc Phòng thí nghiệm Trọng điểm Nhà nước về Vật lý Bề mặt, Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc/Trung tâm Nghiên cứu Vật lý Vật chất Tập trung Quốc gia Bắc Kinh, họ đã hợp tác với Giáo sư Tôn Giai Đào thuộc Viện Công nghệ Bắc Kinh để sử dụng phần mềm mô phỏng động lực học trạng thái kích thích TDAP do chính họ phát triển. Đặc tính đáp ứng của sự kích thích quastiparticle đối với laser siêu nhanh trong vật liệu bán kim loại Weyl WTe2 loại hai đã được nghiên cứu.
Người ta đã chứng minh rằng sự kích thích chọn lọc của các hạt mang điện gần điểm Weyl được xác định bởi tính đối xứng quỹ đạo nguyên tử và quy tắc lựa chọn chuyển tiếp, khác với quy tắc lựa chọn spin thông thường đối với sự kích thích chiral, và đường 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 bất đối xứng của các hạt mang điện gây ra các dòng quang điện theo các hướng khác nhau trong không gian thực, ảnh hưởng đến hướng và tính đối xứng của độ trượt giữa các lớp của hệ. Do các tính chất tôpô của WTe2, chẳng hạn như số điểm Weyl và mức độ tách biệt trong không gian động lượng, phụ thuộc rất nhiều vào tính đối xứng của hệ (Hình 3), sự kích thích bất đối xứng của các hạt mang điện sẽ dẫn đến các hành vi khác nhau của các quastiparticle Weyl trong không gian động lượng và những thay đổi tương ứng trong các tính chất tôpô của hệ. Do đó, nghiên cứu 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 chirality của kích thích hạt mang gần điểm Weyl, và cần phân tích các tính chất quỹ đạo nguyên tử của hàm sóng. Hiệu ứng của hai hiện tượng này tương tự nhau nhưng cơ chế rõ ràng là khác nhau, cung cấp cơ sở lý thuyết để giải thích điểm 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 lực học ở cấp độ nguyên tử và điện tử trong thang thời gian cực nhanh, làm sáng tỏ các cơ chế vi mô của chúng, và được kỳ vọng sẽ là một công cụ mạnh mẽ cho các nghiên cứu trong tương lai về các hiện tượng quang học phi tuyến trong vật liệu tôpô.
Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications. Công trình nghiên cứu 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 (Loại B) của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.
HÌNH 1.a. Quy tắc lựa chọn độ bất đối xứng cho các điểm Weyl có dấu độ bất đối xứng 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 gần bề mặt Fermi; (c) Cấu trúc dải và sự đóng góp tương đối của các orbital nguyên tử phân bố dọc theo các đường đối xứng cao trong vùng Brillouin, mũi tên (1) và (2) biểu diễn sự kích thích gần hoặc xa các điểm Weyl, tương ứng; d. Sự khuếch đại của cấu trúc dải dọc theo hướng Gamma-X
HÌNH 3.ab: Minh họa chuyển động tương đối giữa các lớp của hướng phân cực ánh sáng phân cực 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 triển đối xứng của hệ thống và vị trí, số lượng và mức độ tách biệt của hai điểm Weyl gần nhất trong mặt phẳng kz=0
HÌNH 4. Chuyển pha quang tôpô trong Td-WTe2 đối với sơ đồ pha phụ thuộc vào năng lượng photon ánh sáng phân cực tuyến tính (?) ω) và hướng phân cực (θ)
Thời gian đăng: 25-09-2023