制御されたワイル準粒子の超高速運動の研究は進歩した。レーザー
近年、トポロジカル量子状態とトポロジカル量子物質に関する理論的・実験的研究は、凝縮物質物理学の分野で注目を集めています。物質分類の新しい概念として、トポロジカル秩序は対称性と同様に凝縮物質物理学における基本的な概念です。トポロジーの深い理解は、基本的な電子構造など、凝縮物質物理学における基本的な問題と関連しています。量子位相、量子相転移、そして量子相における多くの固定元素の励起。トポロジカル材料においては、電子、フォノン、スピンといった多くの自由度間の相互作用が、材料特性の理解と制御において決定的な役割を果たしている。光励起は、異なる相互作用を区別し、物質の状態を操作するために用いることができ、材料の基本的な物理的特性、構造相転移、そして新しい量子状態に関する情報を得ることができる。現在、光場によって駆動されるトポロジカル材料の巨視的挙動と、微視的原子構造および電子特性との関係を明らかにすることが研究目標となっている。
トポロジカル物質の光電応答挙動は、その微視的な電子構造と密接に関連しています。トポロジカル半金属の場合、バンド交差近傍のキャリア励起は、系の波動関数特性に非常に敏感です。トポロジカル半金属における非線形光学現象の研究は、系の励起状態の物理的特性をより深く理解するのに役立ち、これらの効果は、次のようなものの製造に利用できることが期待されます。光学機器太陽電池の設計にも応用され、将来的には実用化の可能性を秘めています。例えば、ワイル半金属では、円偏光の光子を吸収するとスピンが反転しますが、角運動量保存則を満たすため、ワイル円錐の両側の電子励起は円偏光の伝播方向に沿って非対称に分布します。これをカイラル選択則と呼びます（図1）。
トポロジカル物質の非線形光学現象の理論的研究では、通常、物質の基底状態特性の計算と対称性解析を組み合わせた手法が採用されます。しかし、この手法にはいくつかの欠点があります。運動量空間と実空間における励起キャリアのリアルタイムの動的情報が欠如しており、時間分解実験検出法との直接比較が不可能です。また、特定の相転移の発生に不可欠な電子-フォノン間および光子-フォノン間の結合を考慮することができません。さらに、摂動論に基づくこの理論解析は、強光場下の物理過程を扱うことができません。第一原理に基づく時間依存密度汎関数分子動力学（TDDFT-MD）シミュレーションは、上記の問題を解決できます。
最近、中国科学院物理研究所表面物理国家重点実験室／北京国家集中物質物理研究センターSF10グループの孟勝研究員、関孟雪ポスドク研究員、および博士課程学生の王恩氏の指導の下、北京理工大学の孫家涛教授と共同で、独自に開発した励起状態動力学シミュレーションソフトウェアTDAPを用いて、第二種ワイル半金属WTe₂における超高速レーザーに対する準粒子励起の応答特性を調査した。
ワイル点付近のキャリアの選択励起は、原子軌道対称性と遷移選択則によって決定され、これはカイラル励起の通常のスピン選択則とは異なり、直線偏光の偏光方向と光子エネルギーを変更することで励起経路を制御できることが示されています（図2）。
キャリアの非対称励起は、実空間において異なる方向に光電流を誘起し、系の層間滑りの方向と対称性に影響を与える。WTe2の位相特性、例えばワイル点の数や運動量空間における分離度などは系の対称性に大きく依存するため（図3）、キャリアの非対称励起はワイル準粒子の運動量空間における異なる挙動と、それに伴う系の位相特性の変化をもたらす。このように、本研究は光トポロジカル相転移の明確な相図を提供している（図4）。
結果は、ワイル点近傍のキャリア励起のカイラリティに注目し、波動関数の原子軌道特性を解析する必要があることを示している。両者の効果は類似しているものの、そのメカニズムは明らかに異なっており、ワイル点の特異性を説明する理論的根拠を提供している。さらに、本研究で採用された計算手法は、原子レベルおよび電子レベルにおける複雑な相互作用と動的挙動を超高速時間スケールで深く理解し、その微視的メカニズムを解明することができ、トポロジカル物質における非線形光学現象の将来研究における強力なツールとなることが期待される。
研究成果はNature Communications誌に掲載されています。本研究は、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、および中国科学院戦略パイロットプロジェクト（カテゴリーB）の支援を受けています。
図1.a. 円偏光下における正のカイラリティ符号（χ=+1）を持つワイル点のカイラリティ選択則。b. オンライン偏光下におけるχ=+1のワイル点における原子軌道対称性による選択励起。
図2. a, Td-WTe2の原子構造図。b. フェルミ面近傍のバンド構造。c. ブリルアン領域における高対称線に沿って分布する原子軌道のバンド構造と相対的寄与。矢印(1)と(2)はそれぞれワイル点に近い励起と遠い励起を表す。d. ガンマX方向に沿ったバンド構造の増幅
図3.ab: 結晶のA軸とB軸に沿った直線偏光の偏光方向の相対的な層間移動と、対応する移動モードを示します。C. 理論シミュレーションと実験観察の比較。de: システムの対称性の進化と、kz=0平面における2つの最も近いワイル点の位置、数、および分離度。
図4. Td-WTe2における直線偏光光子エネルギー(ω)および偏光方向(θ)依存のフォトトポロジカル相転移相図
投稿日時: 2023年9月25日