Weil 준입자의 초고속 운동에 대한 연구는 다음과 같이 제어됩니다.레이저
최근 몇 년 동안, 위상 양자 상태와 위상 양자 물질에 대한 이론적 및 실험적 연구가 응집물질물리학 분야에서 뜨거운 화두가 되고 있습니다. 물질 분류의 새로운 개념으로서, 대칭성과 마찬가지로 위상적 질서는 응집물질물리학의 기본 개념입니다. 위상에 대한 깊은 이해는 응집물질물리학의 기본적인 문제, 예를 들어 전자의 기본 구조와 관련된 문제들과 관련이 있습니다.양자 위상, 양자 상전이 및 양자 상 내 고정화된 여러 원소의 여기. 위상 물질에서 전자, 포논, 스핀과 같은 다양한 자유도 간의 결합은 재료의 특성을 이해하고 조절하는 데 결정적인 역할을 합니다. 빛 여기는 다양한 상호작용을 구분하고 물질의 상태를 조작하는 데 사용될 수 있으며, 이를 통해 재료의 기본적인 물리적 특성, 구조적 상전이, 그리고 새로운 양자 상태에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 현재, 광장에 의해 구동되는 위상 물질의 거시적 거동과 미시적 원자 구조 및 전자적 특성 간의 관계는 연구 목표가 되었습니다.
위상 물질(topological materials)의 광전 반응 거동은 그 미세한 전자 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 위상 반금속(topological semi-metal)의 경우, 밴드 교차점 근처의 캐리어 여기는 시스템의 파동 함수 특성에 매우 민감합니다. 위상 반금속에서 비선형 광학 현상에 대한 연구는 시스템 여기 상태의 물리적 특성을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있으며, 이러한 효과가 다음 물질의 제조에 활용될 것으로 기대됩니다.광학 장치태양 전지 설계는 향후 잠재적인 실용 응용 분야를 제공합니다. 예를 들어, 바일 반금속(Weyl semi-metal)에서 원편광된 빛의 광자를 흡수하면 스핀이 반전되고, 각운동량 보존 법칙을 충족하기 위해 바일 원뿔(Weyl cone) 양쪽의 전자 여기(excitation)는 원편광된 빛의 진행 방향을 따라 비대칭적으로 분포하는데, 이를 키랄 선택 규칙(chiral selection rule)이라고 합니다(그림 1).
위상 물질의 비선형 광학 현상에 대한 이론적 연구는 일반적으로 재료의 바닥 상태 특성 계산과 대칭성 분석을 결합하는 방법을 채택합니다. 그러나 이 방법은 몇 가지 단점을 가지고 있습니다. 운동량 공간과 실제 공간에서 여기된 캐리어의 실시간 동적 정보가 부족하고, 시간 분해능 실험 검출법과 직접적인 비교를 할 수 없습니다. 전자-포논과 광자-포논 간의 결합을 고려할 수 없는데, 이는 특정 상전이가 발생하는 데 필수적입니다. 또한, 섭동 이론에 기반한 이러한 이론적 분석은 강한 광장에서의 물리적 과정을 다룰 수 없습니다. 제1 원리에 기반한 시간 의존 밀도 함수 분자 동역학(TDDFT-MD) 시뮬레이션은 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.
최근 중국과학원/베이징 국립농축물질물리연구센터 산하 표면물리 국가중점실험실 SF10 연구팀의 멍셩(Meng Sheng) 연구원, 박사후연구원 관멍쉐(Guan Mengxue), 박사과정생 왕엔(Wang En)의 지도 아래, 베이징공업대학의 쑨지타오(Sun Jiatao) 교수와 공동으로 자체 개발한 여기 상태 동역학 시뮬레이션 소프트웨어 TDAP를 활용했습니다. 제2종 바일(Weyl) 반금속 WTe2에서 초고속 레이저에 대한 준입자 여기의 응답 특성을 연구했습니다.
웨일 포인트 근처에서 캐리어의 선택적 여기는 일반적인 키랄 여기를 위한 스핀 선택 규칙과 다른 원자 궤도 대칭과 전이 선택 규칙에 의해 결정되며, 그 여기 경로는 선형 편광된 빛의 편광 방향과 광자 에너지를 변화시킴으로써 제어될 수 있음이 밝혀졌습니다(그림 2).
캐리어의 비대칭 여기는 실제 공간에서 서로 다른 방향의 광전류를 유도하며, 이는 시스템의 층간 슬립 방향과 대칭성에 영향을 미칩니다. 와일 점의 수와 운동량 공간에서의 분리 정도와 같은 WTe2의 위상학적 특성은 시스템의 대칭성에 크게 의존하기 때문에(그림 3), 캐리어의 비대칭 여기는 운동량 공간에서 와일 준입자의 다양한 거동과 그에 따른 시스템의 위상학적 특성 변화를 초래합니다. 따라서 본 연구는 광위상 상전이에 대한 명확한 상도를 제공합니다(그림 4).
결과는 바일 포인트 근처에서 캐리어 여기의 카이랄성에 주목해야 하며, 파동 함수의 원자 궤도 특성을 분석해야 함을 보여줍니다. 두 가지의 효과는 유사하지만 메커니즘은 명백히 다르며, 이는 바일 포인트의 특이점을 설명하는 이론적 근거를 제공합니다. 또한, 본 연구에서 채택한 계산 방법은 초고속 시간 척도에서 원자 및 전자 수준의 복잡한 상호작용과 동적 거동을 심층적으로 이해하고, 그 미시물리적 메커니즘을 밝혀낼 수 있으며, 향후 위상 물질에서 비선형 광학 현상에 대한 연구에 강력한 도구가 될 것으로 기대됩니다.
연구 결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 저널에 게재되었습니다. 본 연구는 국가중점연구개발계획, 국가자연과학기금, 그리고 중국과학원 전략시범사업(B등급)의 지원을 받았습니다.
그림 1.a. 원형 편광에서 양의 키랄성 부호(χ=+1)를 갖는 Weyl 점에 대한 키랄성 선택 규칙; 온라인 편광에서 b의 Weyl 점에서 원자 궤도 대칭으로 인한 선택적 여기.
그림 2. a, Td-WTe2의 원자 구조도; b. 페르미면 근처의 밴드 구조; (c) 브릴루앙 영역의 높은 대칭성을 따라 분포하는 원자 오비탈의 밴드 구조 및 상대적 기여도. 화살표 (1)과 (2)는 각각 바일 포인트 근처 또는 바일 포인트에서 멀리 떨어진 여기 상태를 나타냄; d. 감마-X 방향을 따른 밴드 구조의 증폭
그림 3.ab: 결정의 A축과 B축을 따라 선형 편광된 빛의 편광 방향의 상대적인 층간 이동과 그에 따른 이동 모드를 나타냄; C. 이론적 시뮬레이션과 실험적 관찰의 비교; de: 시스템의 대칭성 진화와 kz=0 평면에서 가장 가까운 두 Weyl 점의 위치, 개수 및 분리 정도
그림 4. 선형 편광된 빛에 대한 Td-WTe2의 광위상 전이 광자 에너지(ω) 및 편광 방향(θ)에 따른 위상 다이어그램
게시 시간: 2023년 9월 25일