Progresso foi feito no estudo do movimento ultrarrápido de quasipartículas de Weil controladas por lasers

Progresso foi feito no estudo do movimento ultrarrápido de quasipartículas de Weil controladas porlaser

Nos últimos anos, a pesquisa teórica e experimental sobre estados quânticos topológicos e materiais quânticos topológicos tornou-se um tema quente 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 aos problemas básicos da física da matéria condensada, como a estrutura eletrônica básica dafases quânticas, transições de fase quântica e excitação de muitos elementos imobilizados em fases quânticas. Em materiais topológicos, o acoplamento entre vários graus de liberdade, como elétrons, fônons e spin, desempenha um papel decisivo na compreensão e regulação das propriedades dos materiais. A excitação luminosa pode ser usada para distinguir entre diferentes interações e manipular o estado da matéria, e informações sobre as propriedades físicas básicas do material, transições de fase estruturais e novos estados quânticos podem então ser obtidas. Atualmente, a relação entre o comportamento macroscópico de materiais topológicos impulsionados pelo campo 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 da portadora próxima à intersecção da banda 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 entender melhor as propriedades físicas dos estados excitados do sistema, e espera-se que estes efeitos possam ser utilizados na fabricação dedispositivos ópticose o design 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 mude e, para atender à conservação do momento angular, a excitação de elétrons em ambos os lados do cone de Weyl será distribuída assimetricamente ao longo a direção da propagação da luz polarizada circularmente, que é chamada de regra de seleção quiral (Figura 1).

O estudo teórico de fenômenos ópticos não lineares de materiais topológicos geralmente adota o método de combinar o cálculo das propriedades do estado fundamental do material e a análise de simetria. No entanto, este método tem alguns defeitos: falta-lhe a informação dinâmica em tempo real dos portadores excitados no espaço de momento e no espaço real, e não pode estabelecer uma comparação direta com o método de detecção experimental resolvido no tempo. O acoplamento entre elétron-fônons e fóton-fônons não pode ser considerado. E isso é crucial para que ocorram certas transições de fase. Além disso, esta análise teórica baseada na teoria das perturbações não pode lidar com os processos físicos sob o forte campo de luz. A simulação da dinâmica molecular funcional da densidade dependente do tempo (TDDFT-MD) baseada nos primeiros princípios pode resolver os problemas acima.

Recentemente, sob a orientação do pesquisador Meng Sheng, do pesquisador de pós-doutorado Guan Mengxue e do estudante de doutorado Wang En do Grupo SF10 do Laboratório Chave do Estado de Física de Superfícies do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências/Centro Nacional de Pesquisa de Matéria Concentrada de Pequim Física, em colaboração com o professor Sun Jiatao do Instituto de Tecnologia de Pequim, eles usaram o software de simulação de dinâmica de estado excitado desenvolvido por eles mesmos, TDAP. As características de resposta da excitação de quastipartículas ao laser ultrarrápido no segundo tipo de semi-metal Weyl WTe2 são investigadas.

Foi demonstrado que a excitação seletiva de portadores próximos ao ponto Weyl é determinada pela simetria orbital atômica e pela regra de seleção de transição, que é diferente da regra usual de seleção de spin para excitação quiral, e seu caminho de excitação pode ser controlado alterando a direção de polarização de luz linearmente polarizada e energia de fótons (FIG. 2).

A excitação assimétrica dos 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 dos portadores provocará um comportamento diferente de Weyl quastipartículas 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 do portador próximo ao ponto de Weyl deve ser atenta e as propriedades orbitais atômicas da função de onda devem ser analisadas. Os efeitos dos dois 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 pode compreender profundamente as interações complexas e comportamentos dinâmicos nos níveis atômico e eletrônico em uma escala de tempo super-rápida, revelar seus mecanismos microfísicos e espera-se que seja uma ferramenta poderosa para futuras pesquisas sobre fenómenos ópticos não lineares em materiais topológicos.

Os resultados estão na revista Nature Communications. O trabalho de pesquisa é apoiado pelo Plano Nacional Chave 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. A regra de seleção de quiralidade para pontos de Weyl com sinal de quiralidade positivo (χ=+1) sob luz circularmente polarizada; Excitação seletiva devido à simetria orbital atômica no ponto Weyl de b. χ=+1 em luz polarizada on-line

FIGO. 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 de orbitais atômicos distribuídos ao longo de linhas simétricas altas na região de Brillouin, as setas (1) e (2) representam excitação próxima ou distante dos pontos de Weyl, respectivamente; d. Amplificação da estrutura da banda ao longo da direção Gamma-X

FIG.3.ab: O movimento relativo entre camadas da direção de polarização da luz linearmente polarizada ao longo do eixo A e do eixo 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 Weyl mais próximos no plano kz=0

FIGO. 4. Transição de fase fototopológica em Td-WTe2 para energia de fótons de luz polarizada linearmente (?) ω) e diagrama de fase dependente da direção de polarização (θ)