Houve progresso no estudo do movimento ultrarrápido das quasipartículas de Weil controlado porlasers
Nos últimos anos, a pesquisa teórica e experimental sobre estados quânticos topológicos e materiais quânticos topológicos tornou-se um tema em alta 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 defases quânticas, transições de fase quânticas 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, obtendo-se então 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, impulsionados por campo luminoso, 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 esses efeitos possam ser utilizados na fabricação dedispositivos 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 circularmente polarizada causará uma inversão do spin e, para atender à conservação do momento angular, a excitação dos elétrons em ambos os lados do cone de Weyl será distribuída assimetricamente ao longo da direção de propagação da luz circularmente polarizada, o que é chamado 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, esse método apresenta algumas deficiências: 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 certas transições de fase ocorram. Além disso, essa análise teórica baseada na teoria de perturbações não consegue 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 em primeiros princípios pode resolver os problemas acima.
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 em Física da Matéria Concentrada de Pequim, em colaboração com o Professor Sun Jiatao, do Instituto de Tecnologia de Pequim, utilizaram o software de simulação de dinâmica de estados excitados TDAP, desenvolvido por eles mesmos. As características de resposta da excitação de quastipartículas ao laser ultrarrápido no segundo tipo de semimetal de Weyl, WTe₂, foram investigadas.
Foi demonstrado que a excitação seletiva de portadores próximos ao 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 pela mudança da direção de polarização da luz polarizada linearmente e da 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 momento, são altamente dependentes da simetria do sistema (Figura 3), a excitação assimétrica de portadores provocará comportamentos diferentes das quastipartículas de Weyl no espaço de momento e alterações 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 de portadores próximos ao ponto de Weyl deve ser considerada, 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 permite compreender profundamente as interações complexas e os 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 pesquisas futuras sobre fenômenos ópticos não lineares em materiais topológicos.
Os resultados estão publicados na revista Nature Communications. O trabalho de pesquisa conta com o apoio do Plano Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento, da Fundação Nacional de Ciências Naturais e do 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 polarizada circularmente; Excitação seletiva devido à simetria orbital atômica no ponto de Weyl de b. χ=+1 em luz polarizada on-line
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. Amplificação da estrutura de bandas ao longo da direção Gamma-X.
FIG.3.ab: O movimento relativo entre camadas da direção de polarização da luz polarizada linearmente 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 de Weyl mais próximos no plano kz=0
FIG. 4. Diagrama de fase de transição de fase fototopológica em Td-WTe2 para energia de fótons de luz polarizada linearmente (ω) e direção de polarização (θ) dependente
Horário da publicação: 25 de setembro de 2023