Houve progresso no estudo do movimento ultrarrápido de quasipartículas de Weil controladas porlasers
Nos últimos anos, a pesquisa teórica e experimental sobre estados quânticos topológicos e materiais quânticos topológicos tornou-se um tema de grande interesse no campo da física da matéria condensada. Como um novo conceito de classificação da matéria, a ordem topológica, assim como a simetria, é um conceito fundamental na física da matéria condensada. Uma compreensão profunda da topologia está relacionada a problemas básicos na física da matéria condensada, como a estrutura eletrônica fundamental de...fases quânticasEm materiais topológicos, o acoplamento entre muitos graus de liberdade, como elétrons, fônons e spin, desempenha um papel decisivo na compreensão e regulação das propriedades do material. A excitação por luz pode ser usada para distinguir entre diferentes interações e manipular o estado da matéria, permitindo obter informações sobre as propriedades físicas básicas do material, transições de fase estruturais e novos estados quânticos. Atualmente, a relação entre o comportamento macroscópico de materiais topológicos sob a ação de campos de luz e sua estrutura atômica microscópica e propriedades eletrônicas tornou-se um objetivo de pesquisa.
O comportamento da resposta fotoelétrica de materiais topológicos está intimamente relacionado à sua estrutura eletrônica microscópica. Para semimetais topológicos, a excitação de portadores próxima à interseção de bandas é altamente sensível às características da função de onda do sistema. O estudo de fenômenos ópticos não lineares em semimetais topológicos pode nos ajudar a compreender melhor as propriedades físicas dos estados excitados do sistema, e espera-se que esses efeitos possam ser utilizados na fabricação de dispositivos ópticos.dispositivos ópticose o projeto de células solares, proporcionando potenciais aplicações práticas no futuro. Por exemplo, em um semimetal de Weyl, a absorção de um fóton de luz polarizada circularmente fará com que o spin se inverta e, para atender à conservação do momento angular, a excitação eletrônica em ambos os lados do cone de Weyl será distribuída assimetricamente ao longo da direção de propagação da luz polarizada circularmente, o que é chamado de regra de seleção quiral (Figura 1).
O estudo teórico de fenômenos ópticos não lineares em materiais topológicos geralmente adota o método de combinar o cálculo das propriedades do estado fundamental do material com a análise de simetria. No entanto, esse método apresenta algumas deficiências: carece de informações dinâmicas em tempo real dos portadores excitados no espaço de momentos e no espaço real, e não permite uma comparação direta com o método de detecção experimental com resolução temporal. O acoplamento entre elétrons-fônons e fótons-fônons não é considerado, o que é crucial para a ocorrência de certas transições de fase. Além disso, essa análise teórica baseada na teoria de perturbação não consegue lidar com os processos físicos sob campos de luz intensos. A simulação de dinâmica molecular funcional da densidade dependente do tempo (TDDFT-MD), baseada em primeiros princípios, pode solucionar os problemas mencionados.
Recentemente, sob a orientação do pesquisador Meng Sheng, do pesquisador de pós-doutorado Guan Mengxue e do doutorando Wang En, do Grupo SF10 do Laboratório Estatal de Física de Superfícies do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências/Centro Nacional de Pesquisa de Física da Matéria Concentrada de Pequim, em colaboração com o Professor Sun Jiatao do Instituto de Tecnologia de Pequim, eles utilizaram o software de simulação de dinâmica de estados excitados TDAP, desenvolvido internamente. As características de resposta da excitação de quastipartículas a laser ultrarrápido no semimetal de Weyl de segunda espécie, WTe₂, foram investigadas.
Foi demonstrado que a excitação seletiva de portadores perto do ponto de Weyl é determinada pela simetria orbital atômica e pela regra de seleção de transição, que é diferente da regra de seleção de spin usual para excitação quiral, e seu caminho de excitação pode ser controlado alterando a direção de polarização da luz linearmente polarizada e a energia do fóton (FIG. 2).
A excitação assimétrica de portadores induz fotocorrentes em diferentes direções no espaço real, o que afeta a direção e a simetria do deslizamento intercamadas do sistema. Como as propriedades topológicas do WTe₂, como o número de pontos de Weyl e o grau de separação no espaço de momentos, são altamente dependentes da simetria do sistema (Figura 3), a excitação assimétrica de portadores provocará um comportamento diferente das quastipartículas de Weyl no espaço de momentos e mudanças correspondentes nas propriedades topológicas do sistema. Assim, o estudo fornece um diagrama de fases claro para transições de fase fototopológicas (Figura 4).
Os resultados mostram que a quiralidade da excitação dos portadores perto do ponto de Weyl deve ser levada em consideração, e as propriedades dos orbitais atômicos da função de onda devem ser analisadas. Os efeitos de ambos são semelhantes, mas o mecanismo é obviamente diferente, o que fornece uma base teórica para explicar a singularidade dos pontos de Weyl. Além disso, o método computacional adotado neste estudo permite compreender profundamente as interações complexas e os comportamentos dinâmicos nos níveis atômico e eletrônico em uma escala de tempo extremamente rápida, revelando seus mecanismos microfísicos, e espera-se que seja uma ferramenta poderosa para futuras pesquisas sobre fenômenos ópticos não lineares em materiais topológicos.
Os resultados foram publicados na revista Nature Communications. A pesquisa foi financiada pelo Plano Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento, pela Fundação Nacional de Ciências Naturais e pelo Projeto Piloto Estratégico (Categoria B) da Academia Chinesa de Ciências.
FIG. 1.a. Regra de seleção de quiralidade para pontos de Weyl com sinal de quiralidade positivo (χ = +1) sob luz polarizada circularmente; Excitação seletiva devido à simetria orbital atômica no ponto de Weyl de b. χ = +1 em luz polarizada em linha reta.
FIG. 2. Diagrama da estrutura atômica de a, Td-WTe2; b. Estrutura de bandas próxima à superfície de Fermi; (c) Estrutura de bandas e contribuições relativas dos orbitais atômicos distribuídos ao longo de linhas de alta simetria na região de Brillouin, as setas (1) e (2) representam a excitação próxima ou distante dos pontos de Weyl, respectivamente; d. Ampliação da estrutura de bandas ao longo da direção Γ-X.
FIG. 3.ab: O movimento relativo entre camadas da direção de polarização da luz linearmente polarizada ao longo dos eixos A e B do cristal, e o modo de movimento correspondente são ilustrados; C. Comparação entre simulação teórica e observação experimental; de: Evolução da simetria do sistema e a posição, número e grau de separação dos dois pontos de Weyl mais próximos no plano kz=0
FIG. 4. Transição de fase fototopológica em Td-WTe2 para luz linearmente polarizada, dependente da energia do fóton (ω) e da direção de polarização (θ). Diagrama de fase dependente da energia do fóton (ω) e da direção de polarização (θ) da luz (ω).
Data da publicação: 25/09/2023