Kemajuan telah dicapai dalam studi gerakan ultra cepat kuasipartikel Weil yang dikontrol olehlaser
Dalam beberapa tahun terakhir, penelitian teoretis dan eksperimental tentang keadaan kuantum topologi dan material kuantum topologi telah menjadi topik hangat di bidang fisika benda terkondensasi. Sebagai konsep baru klasifikasi materi, tatanan topologi, seperti halnya simetri, merupakan konsep fundamental dalam fisika benda terkondensasi. Pemahaman mendalam tentang topologi berkaitan dengan permasalahan dasar dalam fisika benda terkondensasi, seperti struktur elektronik dasarfase kuantum, transisi fase kuantum, dan eksitasi banyak elemen terimobilisasi dalam fase kuantum. Dalam material topologi, kopling antara berbagai derajat kebebasan, seperti elektron, fonon, dan spin, memainkan peran penting dalam memahami dan mengatur sifat material. Eksitasi cahaya dapat digunakan untuk membedakan berbagai interaksi dan memanipulasi keadaan materi, sehingga informasi tentang sifat fisik dasar material, transisi fase struktural, dan keadaan kuantum baru 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 semi-logam topologi, eksitasi pembawa di dekat perpotongan pita sangat sensitif terhadap karakteristik fungsi gelombang sistem. Studi fenomena optik nonlinier pada semi-logam topologi dapat membantu kita lebih memahami sifat fisik keadaan tereksitasi sistem, dan efek ini diharapkan dapat digunakan dalam pembuatanperangkat optikdan desain sel surya, yang menyediakan potensi aplikasi praktis di masa mendatang. Misalnya, pada semi-logam Weyl, penyerapan foton cahaya terpolarisasi melingkar akan menyebabkan 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).
Kajian teoretis fenomena optik nonlinier pada material topologi biasanya menggunakan metode penggabungan perhitungan sifat dasar material dan analisis simetri. Namun, metode ini memiliki beberapa kekurangan: kurangnya informasi dinamis waktu nyata (real-time) pembawa tereksitasi dalam ruang momentum dan ruang nyata, serta tidak dapat melakukan perbandingan langsung dengan metode deteksi eksperimental beresolusi waktu. Kopling antara elektron-fonon dan foton-fonon tidak dapat dipertimbangkan, dan hal ini krusial untuk terjadinya transisi fase tertentu. Selain itu, analisis teoretis yang didasarkan pada teori perturbasi ini tidak dapat menangani proses fisika di bawah medan cahaya kuat. Simulasi dinamika molekuler fungsional kerapatan bergantung waktu (TDDFT-MD) yang berbasis pada prinsip-prinsip dasar dapat menyelesaikan permasalahan di atas.
Baru-baru ini, di bawah bimbingan peneliti Meng Sheng, peneliti pascadoktoral Guan Mengxue, dan mahasiswa doktoral Wang En dari Kelompok SF10 Laboratorium Kunci Negara Fisika Permukaan, Institut Fisika Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok/Pusat Penelitian Nasional Fisika Materi Terkonsentrasi Beijing, bekerja sama dengan Profesor Sun Jiatao dari Institut Teknologi Beijing, mereka menggunakan perangkat lunak simulasi dinamika keadaan tereksitasi TDAP yang dikembangkan sendiri. Karakteristik respons eksitasi kuastipartikel terhadap laser ultracepat dalam semi-logam Weyl jenis kedua (WTe2) diteliti.
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 (GAMBAR 2).
Eksitasi asimetris pembawa muatan menginduksi arus foto dalam berbagai arah di ruang nyata, yang memengaruhi arah dan simetri slip antarlapis 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 kuasipartikel Weyl yang berbeda dalam ruang momentum dan perubahan yang sesuai pada sifat topologi sistem. Dengan demikian, studi ini memberikan diagram fase yang jelas untuk transisi fase fototopologi (Gambar 4).
Hasil penelitian menunjukkan bahwa kiralitas eksitasi pembawa di dekat titik Weyl perlu diperhatikan, dan sifat orbital atom dari fungsi gelombang perlu dianalisis. Efek keduanya serupa, tetapi mekanismenya jelas berbeda, yang memberikan landasan teoretis 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 mendatang tentang fenomena optik nonlinier dalam material topologi.
Hasilnya dipublikasikan di jurnal Nature Communications. Penelitian ini didukung oleh Rencana Penelitian dan Pengembangan Kunci Nasional, Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional, dan Proyek Percontohan Strategis (Kategori B) 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 b. χ=+1 dalam cahaya terpolarisasi daring
GAMBAR 2. Diagram struktur atom a, Td-WTe2; b. Struktur pita di dekat permukaan Fermi; (c) Struktur pita dan kontribusi relatif orbital atom yang terdistribusi sepanjang garis simetris tinggi di wilayah Brillouin, panah (1) dan (2) masing-masing mewakili eksitasi di 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 dua titik Weyl terdekat di bidang kz=0
GAMBAR 4. Transisi fase fototopologi pada Td-WTe2 untuk energi foton cahaya terpolarisasi linier (?) ω) dan diagram fase bergantung arah polarisasi (θ)
Waktu posting: 25 Sep 2023