Đã đạt được tiến bộ trong nghiên cứu chuyển động cực nhanh của các giả hạt 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 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.Sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc liên kết có liên quan đến các vấn đề cơ bản trong vật lý vật chất ngưng tụ, chẳng hạn như cấu trúc điện tử cơ bản củapha lượng tử, sự chuyển pha lượng tử và sự kích thích của nhiều nguyên tố cố định trong pha lượng tử.Trong các 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 của vật liệu.Kích thích ánh sáng có thể được sử dụng để phân biệt giữa các tương tác khác nhau và điều khiển trạng thái của vật chất, đồng thời có thể thu được thông tin về các tính chất vật lý cơ bản của vật liệu, sự chuyển pha cấu trúc và 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 với cấu trúc nguyên tử vi mô và tính chất điện tử của chúng đã trở thành mục tiêu nghiên cứu.
Hành vi phản ứng quang điện của vật liệu tôpô có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc điện tử vi mô của nó.Đối với các bán kim loại tôpô, kích thích sóng mang gần giao điểm dải rất nhạy với đặc tính hàm sóng của hệ thống.Việc nghiên cứu hiện tượng quang phi tuyến trong các bán kim loại tôpô có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của các trạng thái kích thích của hệ và hy vọng rằng những hiệu ứng này có thể được sử dụng trong chế tạothiết 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 cho spin bị lật, và để đáp ứng sự bảo toàn mômen động lượng, sự kích thích của electron ở cả hai phía của hình nón Weyl sẽ phân bố không đối xứng dọc theo hướng truyền ánh sáng phân cực tròn, được gọi là quy luật chọn lọc bất đối (Hình 1).
Nghiên cứu lý thuyết về hiện tượng quang 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 tính đối xứng.Tuy nhiên, phương pháp này có một số khuyết điểm: nó thiếu thông tin động thời gian thực của các sóng mang bị kích thích trong không gian động lượng và không gian thực và không thể so sánh trực tiếp với phương pháp phát hiện thử nghiệm được giải quyết theo thời gian.Không thể xem xét sự kết hợp giữa electron-phonon và photon-phonon.Và điều này rất quan trọng để quá trình chuyển pha nhất định xảy ra.Ngoài ra, phân tích lý thuyết dựa trên lý thuyết nhiễu loạn này không thể giải quyết các quá trình vật lý dưới trường ánh sáng mạnh.Mô phỏng động lực phân tử chức năng mật độ phụ thuộc thời gian (TDDFT-MD) dựa trên nguyên tắc đầu tiên có thể giải quyết các vấn đề trên.
Gần đây, dưới sự hướng dẫn của nhà nghiên cứu Meng Sheng, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Guan Mengxue và nghiên cứu sinh Wang En thuộc Nhóm SF10 của Phòng thí nghiệm trọng điểm nhà nước về Vật lý bề mặt của Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc/Trung tâm Nghiên cứu Vật chất Tập trung Quốc gia Bắc Kinh Vật lý, phối hợp với Giáo sư Sun Jiatao của Viện Công nghệ Bắc Kinh, họ đã sử dụng phần mềm mô phỏng động lực học trạng thái kích thích do họ tự phát triển TDAP.Các đặc tính đáp ứng của sự kích thích quastiparticle đối với laser cực nhanh ở loại thứ hai của bán kim loại Weyl WTe2 đang được nghiên cứu.
Người ta đã chứng minh rằng sự kích thích có chọn lọc của các hạt mang gần điểm Weyl được xác định bởi quy tắc lựa chọn chuyển tiếp và đối xứng quỹ đạo nguyên tử, khác với quy tắc chọn spin thông thường đối với kích thích bất đối 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 không đối xứng của các hạt tải điện tạo ra các dòng quang 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 thống.Do các đặc tính 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 Weyl quastiparticles trong không gian động lượng và những thay đổi tương ứng về tính chất tôpô của hệ thống.Do đó, nghiên cứu cung cấp một sơ đồ pha rõ ràng cho quá trình chuyển pha quang tôpô (Hình 4).
Kết quả cho thấy cần chú ý đến độ chrality của kích thích sóng mang gần điểm Weyl và cần phân tích các đặc tính quỹ đạo nguyên tử của hàm sóng.Tác dụng của cả hai là tương tự nhau nhưng cơ chế rõ ràng là khác nhau, điều này 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 học ở cấp độ nguyên tử và điện tử trong thang thời gian siêu nhanh, tiết lộ các cơ chế vi vật lý của chúng và được kỳ vọng sẽ là một công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu trong tương lai về Hiện tượng quang phi tuyến trong vật liệu tôpô.
Kết quả được đăng 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 chọn chirality cho các điểm Weyl có dấu chirality 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
QUẢ SUNG.2. Sơ đồ cấu trúc nguyên tử a, Td-WTe2;b.Cấu trúc dải gần bề mặt Fermi;(c) Cấu trúc dải và sự đóng góp tương đối của các quỹ đạo nguyên tử phân bố dọc theo các đường đối xứng cao trong vùng Brillouin, các mũi tên (1) và (2) tương ứng biểu thị sự kích thích gần hoặc xa các điểm Weyl;d.Khuếch đại cấu trúc dải dọc theo hướng Gamma-X
HÌNH.3.ab: 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 được minh họa;C. So sánh giữa mô phỏng lý thuyết và quan sát thực nghiệm;de: Sự phát triển đối xứng của hệ thống và vị trí, số lượng cũng như mức độ phân tách của hai điểm Weyl gần nhất trong mặt phẳng kz=0
QUẢ SUNG.4. Quá trình chuyển pha quang tôpô trong Td-WTe2 đối với biểu đồ pha phụ thuộc năng lượng photon ánh sáng phân cực tuyến tính (?) ω) và hướng phân cực (θ)
Thời gian đăng: 25-09-2023