Edusamme on tehtud Weili kvaasiosakeste ülikiire liikumise uurimisel, mida kontrolliblaserid
Viimastel aastatel on topoloogiliste kvantseisundite ja topoloogiliste kvantmaterjalide teoreetiline ja eksperimentaalne uurimine muutunud kondenseeritud aine füüsika valdkonnas kuumaks teemaks. Aine klassifitseerimise uue kontseptsioonina on topoloogiline kord, nagu ka sümmeetria, kondenseeritud aine füüsika põhimõiste. Topoloogia sügav mõistmine on seotud kondenseeritud aine füüsika põhiprobleemidega, nagu näiteks elementide põhiline elektronstruktuur.kvantfaasid, kvantfaasiüleminekud ja paljude immobiliseeritud elementide ergastamine kvantfaasides. Topoloogilistes materjalides mängib paljude vabadusastmete, näiteks elektronide, foononite ja spinni vaheline seos otsustavat rolli materjali omaduste mõistmisel ja reguleerimisel. Valgusergastust saab kasutada erinevate interaktsioonide eristamiseks ja aine oleku manipuleerimiseks ning seejärel saab teavet materjali põhiliste füüsikaliste omaduste, struktuuriliste faasiüleminekute ja uute kvantseisundite kohta. Praegu on uurimiseesmärgiks saanud valgusvälja poolt juhitavate topoloogiliste materjalide makroskoopilise käitumise ja nende mikroskoopilise aatomistruktuuri ning elektrooniliste omaduste vaheline seos.
Topoloogiliste materjalide fotoelektriline käitumine on tihedalt seotud nende mikroskoopilise elektronstruktuuriga. Topoloogiliste poolmetallide puhul on laengukandjate ergastus tsooni lõikumiskoha lähedal süsteemi lainefunktsiooni karakteristikute suhtes väga tundlik. Mittelineaarsete optiliste nähtuste uurimine topoloogilistes poolmetallides aitab meil paremini mõista süsteemi ergastatud olekute füüsikalisi omadusi ja eeldatakse, et neid efekte saab kasutada järgmiste toodete valmistamisel:optilised seadmedja päikesepatareide disain, mis pakub tulevikus potentsiaalseid praktilisi rakendusi. Näiteks Weyli poolmetallis põhjustab ringpolariseeritud valguse footoni neeldumine spinni pöördumise ning impulsimomendi jäävuse reegli täitmiseks jaotub elektronide ergastus Weyli koonuse mõlemal küljel asümmeetriliselt ringpolariseeritud valguse levimissuunas, mida nimetatakse kiraalse valiku reegliks (joonis 1).
Topoloogiliste materjalide mittelineaarsete optiliste nähtuste teoreetilises uurimises kasutatakse tavaliselt meetodit, mis ühendab materjali põhiseisundi omaduste arvutamise ja sümmeetriaanalüüsi. Sellel meetodil on aga mõningaid puudusi: sellel puudub ergastatud laengukandjate reaalajas dünaamiline teave impulsiruumis ja reaalruumis ning see ei võimalda luua otsest võrdlust ajaliselt lahendatud eksperimentaalse detekteerimismeetodiga. Elektron-foononite ja footon-foononite vahelist seost ei saa arvesse võtta. Ja see on teatud faasisiirete toimumiseks ülioluline. Lisaks ei saa see häiritusteoorial põhinev teoreetiline analüüs käsitleda tugeva valgusvälja all toimuvaid füüsikalisi protsesse. Esimestel printsiipidel põhinev ajast sõltuva tihedusfunktsionaalse molekulaardünaamika (TDDFT-MD) simulatsioon saab ülaltoodud probleeme lahendada.
Hiljuti kasutasid nad Hiina Teaduste Akadeemia Füüsika Instituudi/Pekingi Kontsentreeritud Aine Füüsika Riikliku Uurimiskeskuse Pinnafüüsika Riikliku Võtmelabori SF10 Grupi teadur Meng Shengi, järeldoktor Guan Mengxue ja doktorant Wang Eni juhendamisel ning Pekingi Tehnoloogiainstituudi professor Sun Jiataoga koostöös isearendatud ergastatud oleku dünaamika simulatsioonitarkvara TDAP. Uuritakse kvaasiosakeste ergastuse reageerimisomadusi ülikiire laseri suhtes teist tüüpi Weyli poolmetallis WTe2.
On näidatud, et Weyli punkti lähedal asuvate laengukandjate selektiivne ergastamine on määratud aatomorbitaalide sümmeetria ja üleminekuvaliku reegliga, mis erineb kiraalse ergastuse tavapärasest spinnivaliku reeglist ning selle ergastusrada saab juhtida lineaarselt polariseeritud valguse ja footonienergia polarisatsiooni suuna muutmise teel (JOONIS 2).
Laengukandjate asümmeetriline ergastamine kutsub reaalses ruumis esile erinevates suundades fotovoolusid, mis mõjutavad süsteemi kihtidevahelise libisemise suunda ja sümmeetriat. Kuna WTe2 topoloogilised omadused, näiteks Weyli punktide arv ja eraldusaste impulsiruumis, sõltuvad suuresti süsteemi sümmeetriast (joonis 3), põhjustab laengukandjate asümmeetriline ergastamine Weyli kvaasiosakeste erinevat käitumist impulsiruumis ja vastavaid muutusi süsteemi topoloogilistes omadustes. Seega annab uuring selge faasidiagrammi fototopoloogiliste faasisiirete jaoks (joonis 4).
Tulemused näitavad, et Weyli punkti lähedal toimuva laengukandjate ergastuse kiraalsusele tuleks pöörata tähelepanu ning analüüsida lainefunktsiooni aatomorbitaalseid omadusi. Nende kahe mõju on sarnane, kuid mehhanism on ilmselgelt erinev, mis annab teoreetilise aluse Weyli punktide singulaarsuse selgitamiseks. Lisaks võimaldab käesolevas uuringus kasutatud arvutusmeetod sügavalt mõista keerulisi interaktsioone ja dünaamilisi käitumisviise aatomi- ja elektroonilisel tasandil ülikiirel ajaskaalal, paljastada nende mikrofüüsikalisi mehhanisme ning eeldatavasti on see võimas tööriist topoloogiliste materjalide mittelineaarsete optiliste nähtuste edasiseks uurimiseks.
Tulemused avaldati ajakirjas Nature Communications. Uurimistööd toetavad riiklik võtmeuuringute ja -arenduse kava, riiklik loodusteaduste fond ja Hiina Teaduste Akadeemia strateegiline pilootprojekt (kategooria B).
JOONIS 1.a. Kiraalsuse valiku reegel positiivse kiraalsusmärgiga (χ = +1) Weyli punktide jaoks ringpolariseeritud valguses; selektiivne ergastus aatomi orbitaalsümmeetria tõttu b punkti Weyli punktis. χ = +1 reaalajas polariseeritud valguses
JOONIS 2. a, Td-WTe2 aatomi struktuuri diagramm; b. Tsooni struktuur Fermi pinna lähedal; (c) Tsooni struktuur ja aatomiorbitaalide suhteline panus, mis on jaotunud piki kõrgeid sümmeetrilisi jooni Brillouini piirkonnas, nooled (1) ja (2) tähistavad vastavalt ergastust Weyli punktide lähedal või kaugel; d. Tsooni struktuuri võimendamine Gamma-X suunas
JOONIS 3.ab: Illustreeritud on lineaarselt polariseeritud valguse polarisatsiooni suuna suhteline kihtidevaheline liikumine kristalli A-teljel ja B-teljel ning vastav liikumisrežiim; C. Teoreetilise simulatsiooni ja eksperimentaalse vaatluse võrdlus; de: Süsteemi sümmeetria evolutsioon ning kahe lähima Weyli punkti asukoht, arv ja eraldusaste kz=0 tasapinnal.
JOONIS 4. Fototopoloogiline faasisiire Td-WTe2-s lineaarselt polariseeritud valguse footonienergia (θ) ja polarisatsioonisuuna (θ) sõltuva faasidiagrammi korral.
Postituse aeg: 25. september 2023