Kemajuan telah dicapai dalam studi gerakan ultracepat kuasipartikel Weil yang dikendalikan olehsinar laser
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian teoritis dan eksperimental tentang keadaan kuantum topologi dan material kuantum topologi telah menjadi topik hangat di bidang fisika materi terkondensasi. Sebagai konsep baru klasifikasi materi, tatanan topologi, seperti simetri, merupakan konsep dasar dalam fisika materi terkondensasi. Pemahaman mendalam tentang topologi terkait dengan masalah dasar dalam fisika materi terkondensasi, seperti struktur elektronik dasarfase kuantum, transisi fase kuantum dan eksitasi banyak elemen yang tidak dapat bergerak dalam fase kuantum. Dalam material topologi, kopling antara banyak derajat kebebasan, seperti elektron, fonon, dan spin, memainkan peran yang menentukan dalam memahami dan mengatur sifat material. Eksitasi cahaya dapat digunakan untuk membedakan antara berbagai interaksi dan memanipulasi keadaan materi, dan informasi tentang sifat fisik dasar material, transisi fase struktural, dan keadaan kuantum baru kemudian dapat diperoleh. Saat ini, hubungan antara perilaku makroskopis material topologi yang digerakkan oleh medan cahaya dan struktur atom mikroskopis serta sifat elektroniknya telah menjadi tujuan penelitian.
Perilaku respons fotolistrik bahan topologi berkaitan erat dengan struktur elektronik mikroskopisnya. Untuk semi-logam topologi, eksitasi pembawa dekat persimpangan pita sangat sensitif terhadap karakteristik fungsi gelombang sistem. Studi fenomena optik nonlinier dalam semi-logam topologi dapat membantu kita untuk lebih memahami sifat fisik dari keadaan tereksitasi sistem, dan diharapkan efek ini dapat digunakan dalam pembuatanperangkat optikdan desain sel surya, yang menyediakan aplikasi praktis yang potensial di masa mendatang. Misalnya, dalam semi-logam Weyl, menyerap foton cahaya terpolarisasi melingkar akan menyebabkan putarannya terbalik, dan untuk memenuhi kekekalan momentum sudut, eksitasi elektron di kedua sisi kerucut Weyl akan didistribusikan secara asimetris di sepanjang arah perambatan cahaya terpolarisasi melingkar, yang disebut aturan seleksi kiral (Gambar 1).
Studi teoritis fenomena optik nonlinier dari material topologi biasanya mengadopsi metode penggabungan perhitungan sifat dasar material dan analisis simetri. Namun, metode ini memiliki beberapa kelemahan: metode ini tidak memiliki informasi dinamis waktu nyata dari pembawa yang tereksitasi dalam ruang momentum dan ruang nyata, dan tidak dapat membuat perbandingan langsung dengan metode deteksi eksperimental yang diselesaikan waktu. Kopling antara elektron-fonon dan foton-fonon tidak dapat dipertimbangkan. Dan ini penting agar transisi fase tertentu dapat terjadi. Selain itu, analisis teoritis berdasarkan teori gangguan ini tidak dapat menangani proses fisik di bawah medan cahaya yang kuat. Simulasi dinamika molekul fungsional kerapatan bergantung waktu (TDDFT-MD) berdasarkan prinsip-prinsip pertama dapat memecahkan masalah di atas.
Baru-baru ini, di bawah bimbingan peneliti Meng Sheng, peneliti pascadoktoral Guan Mengxue dan mahasiswa doktoral Wang En dari Kelompok SF10 Laboratorium Fisika Permukaan Kunci Negara dari Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok/Pusat Penelitian Nasional Beijing untuk Fisika Materi Terkonsentrasi, bekerja sama dengan Profesor Sun Jiatao dari Institut Teknologi Beijing, mereka menggunakan perangkat lunak simulasi dinamika keadaan tereksitasi yang dikembangkan sendiri TDAP. Karakteristik respons eksitasi kuastipartikel terhadap laser sangat cepat dalam semi-logam Weyl jenis kedua WTe2 diselidiki.
Telah ditunjukkan bahwa eksitasi selektif pembawa dekat titik Weyl ditentukan oleh simetri orbital atom dan aturan pemilihan transisi, yang berbeda dari aturan pemilihan spin biasa untuk eksitasi kiral, dan lintasan eksitasinya dapat dikontrol dengan mengubah arah polarisasi cahaya terpolarisasi linier dan energi foton (Gbr. 2).
Eksitasi asimetris pembawa muatan menginduksi arus foto dalam berbagai arah di ruang nyata, yang memengaruhi arah dan simetri slip antarlapisan sistem. Karena sifat topologi WTe2, seperti jumlah titik Weyl dan derajat pemisahan dalam ruang momentum, sangat bergantung pada simetri sistem (Gambar 3), eksitasi asimetris pembawa muatan akan menghasilkan perilaku kuastipartikel Weyl yang berbeda dalam ruang momentum dan perubahan yang sesuai dalam sifat topologi sistem. Dengan demikian, penelitian ini memberikan diagram fase yang jelas untuk transisi fase fototopologi (Gambar 4).
Hasil penelitian menunjukkan bahwa kiralitas eksitasi pembawa dekat titik Weyl perlu diperhatikan, dan sifat orbital atom fungsi gelombang perlu dianalisis. Efek keduanya serupa tetapi mekanismenya jelas berbeda, yang memberikan dasar teoritis untuk menjelaskan singularitas titik Weyl. Selain itu, metode komputasi yang diadopsi dalam penelitian ini dapat memahami secara mendalam interaksi kompleks dan perilaku dinamis pada tingkat atom dan elektronik dalam skala waktu super cepat, mengungkap mekanisme mikrofisikanya, dan diharapkan menjadi alat yang ampuh untuk penelitian masa depan tentang fenomena optik nonlinier dalam bahan topologi.
Hasilnya dimuat dalam jurnal Nature Communications. Pekerjaan penelitian ini didukung oleh National Key Research and Development Plan, National Natural Science Foundation, dan Strategic Pilot Project (Kategori B) dari Chinese Academy of Sciences.
GAMBAR 1.a. Aturan pemilihan kiralitas untuk titik Weyl dengan tanda kiralitas positif (χ=+1) di bawah cahaya terpolarisasi melingkar; Eksitasi selektif karena simetri orbital atom pada titik Weyl b. χ=+1 dalam cahaya terpolarisasi on-line
GAMBAR 2. Diagram struktur atom a, Td-WTe2; b. Struktur pita dekat permukaan Fermi; (c) Struktur pita dan kontribusi relatif orbital atom yang didistribusikan sepanjang garis simetris tinggi di wilayah Brillouin, panah (1) dan (2) masing-masing mewakili eksitasi dekat atau jauh dari titik Weyl; d. Amplifikasi struktur pita sepanjang arah Gamma-X
FIG.3.ab: Pergerakan antar lapisan relatif dari arah polarisasi cahaya terpolarisasi linier sepanjang sumbu A dan sumbu B kristal, dan mode pergerakan yang sesuai diilustrasikan; C. Perbandingan antara simulasi teoritis dan pengamatan eksperimental; de: Evolusi simetri sistem dan posisi, jumlah dan derajat pemisahan dari dua titik Weyl terdekat di bidang kz=0
GAMBAR 4. Transisi fase fototopologi pada Td-WTe2 untuk cahaya terpolarisasi linier yang bergantung pada energi foton (?) ω) dan arah polarisasi (θ)
Waktu posting: 25-Sep-2023