Kemajuan telah dicapai dalam studi gerak ultra cepat kuasipartikel Weil yang dikendalikan olehlaser
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian teoretis dan eksperimental tentang keadaan kuantum topologi dan material kuantum topologi telah menjadi topik hangat di bidang fisika materi terkondensasi. Sebagai konsep baru klasifikasi materi, keteraturan topologi, seperti simetri, adalah konsep fundamental dalam fisika materi terkondensasi. Pemahaman mendalam tentang topologi berkaitan dengan masalah mendasar dalam fisika materi terkondensasi, seperti struktur elektronik dasar darifase kuantumTransisi fase kuantum dan eksitasi banyak elemen yang terimobilisasi dalam fase kuantum. Dalam material topologi, kopling antara banyak derajat kebebasan, seperti elektron, fonon, dan spin, memainkan peran penting dalam memahami dan mengatur sifat material. Eksitasi cahaya dapat digunakan untuk membedakan antara interaksi yang berbeda 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 material topologi berkaitan erat dengan struktur elektronik mikroskopisnya. Untuk semilogam topologi, eksitasi pembawa muatan di dekat persimpangan pita sangat sensitif terhadap karakteristik fungsi gelombang sistem. Studi fenomena optik nonlinier pada semilogam topologi dapat membantu kita untuk lebih memahami sifat fisik keadaan tereksitasi sistem, dan diharapkan efek ini dapat digunakan dalam pembuatanperangkat optikdan desain sel surya, yang memberikan potensi aplikasi praktis di masa depan. Misalnya, pada semilogam Weyl, penyerapan foton cahaya terpolarisasi melingkar akan menyebabkan putaran (spin) berbalik, dan untuk memenuhi hukum kekekalan momentum sudut, eksitasi elektron di kedua sisi kerucut Weyl akan terdistribusi secara asimetris sepanjang arah perambatan cahaya terpolarisasi melingkar, yang disebut aturan seleksi kiral (Gambar 1).
Studi teoretis tentang fenomena optik nonlinier material topologi biasanya mengadopsi metode penggabungan perhitungan sifat keadaan dasar material dan analisis simetri. Namun, metode ini memiliki beberapa kekurangan: kurangnya informasi dinamis waktu nyata dari pembawa muatan tereksitasi dalam ruang momentum dan ruang nyata, dan tidak dapat melakukan perbandingan langsung dengan metode deteksi eksperimental yang bergantung pada waktu. Kopling antara elektron-fonon dan foton-fonon tidak dapat dipertimbangkan. Dan ini sangat penting untuk terjadinya transisi fase tertentu. Selain itu, analisis teoretis berdasarkan teori perturbasi ini tidak dapat menangani proses fisik di bawah medan cahaya yang kuat. Simulasi dinamika molekuler fungsional kerapatan bergantung waktu (TDDFT-MD) berdasarkan prinsip pertama dapat menyelesaikan masalah-masalah di atas.
Baru-baru ini, di bawah bimbingan peneliti Meng Sheng, peneliti pascadoktoral Guan Mengxue dan mahasiswa doktoral Wang En dari Grup SF10 Laboratorium Utama Negara untuk Fisika Permukaan 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 kuasi-partikel terhadap laser ultra cepat pada semilogam Weyl jenis kedua WTe2 diselidiki.
Telah ditunjukkan bahwa eksitasi selektif pembawa muatan di dekat titik Weyl ditentukan oleh simetri orbital atom dan aturan seleksi transisi, yang berbeda dari aturan seleksi spin biasa untuk eksitasi kiral, dan jalur eksitasinya dapat dikendalikan dengan mengubah arah polarisasi cahaya terpolarisasi linier dan energi foton (GAMBAR 2).
Eksitasi asimetris pembawa muatan menginduksi arus fotolistrik dalam arah yang berbeda di ruang nyata, yang memengaruhi arah dan simetri slip antar lapisan sistem. Karena sifat topologi WTe2, seperti jumlah titik Weyl dan derajat pemisahan di ruang momentum, sangat bergantung pada simetri sistem (Gambar 3), eksitasi asimetris pembawa muatan akan menyebabkan perilaku yang berbeda dari kuasi-partikel Weyl di 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 muatan di dekat titik Weyl perlu diperhatikan, dan sifat orbital atom dari 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 material topologi.
Hasil penelitian tersebut dipublikasikan dalam jurnal Nature Communications. Penelitian ini didukung oleh Program Penelitian dan Pengembangan Kunci Nasional, Yayasan Sains Alam Nasional, dan Proyek Percontohan Strategis (Kategori B) dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok.
GAMBAR 1.a. Aturan seleksi kiralitas untuk titik Weyl dengan tanda kiralitas positif (χ=+1) di bawah cahaya terpolarisasi melingkar; Eksitasi selektif karena simetri orbital atom pada titik Weyl dengan χ=+1 dalam cahaya terpolarisasi on-line. b.
GAMBAR 2. Diagram struktur atom dari a, Td-WTe2; b. Struktur pita di dekat permukaan Fermi; (c) Struktur pita dan kontribusi relatif orbital atom yang terdistribusi di sepanjang garis simetri tinggi di wilayah Brillouin, panah (1) dan (2) masing-masing mewakili eksitasi di dekat atau jauh dari titik Weyl; d. Amplifikasi struktur pita di sepanjang arah Gamma-X
GAMBAR 3.ab: Pergerakan antar lapisan relatif arah polarisasi cahaya terpolarisasi linier sepanjang sumbu A dan sumbu B kristal, dan mode pergerakan yang sesuai diilustrasikan; C. Perbandingan antara simulasi teoretis dan pengamatan eksperimental; de: Evolusi simetri sistem dan posisi, jumlah, dan derajat pemisahan dua titik Weyl terdekat pada bidang kz=0
GAMBAR 4. Transisi fase fototopologi pada Td-WTe2 untuk diagram fase yang bergantung pada energi foton cahaya terpolarisasi linier (ω) dan arah polarisasi (θ).
Waktu posting: 25 September 2023