ワイル準粒子の超高速運動の研究において進展が見られた。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および実験的研究は、凝縮系物理学の分野でホットトピックとなっている。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、凝縮系物理学における基本的な概念である。トポロジーの深い理解は、凝縮系物理学における基本的な問題、例えば基本的な電子構造などと関連している。量子位相光励起は、量子相転移や量子相における多数の固定要素の励起など、様々な現象に関与しています。トポロジカル材料では、電子、フォノン、スピンなど、多くの自由度間の結合が、材料特性の理解と制御において決定的な役割を果たします。光励起を用いることで、異なる相互作用を区別し、物質の状態を操作することができ、材料の基本的な物理的特性、構造相転移、新しい量子状態に関する情報を得ることができます。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な挙動と、その微視的な原子構造および電子特性との関係が研究目標となっています。
トポロジカル材料の光電応答挙動は、その微視的な電子構造と密接に関係している。トポロジカル半金属の場合、バンド交差付近のキャリア励起は、システムの波動関数特性に非常に敏感である。トポロジカル半金属における非線形光学現象の研究は、システムの励起状態の物理的特性をよりよく理解するのに役立ち、これらの効果は製造に利用できると期待される。光学デバイスそして太陽電池の設計にも応用でき、将来的に実用的な応用が期待されます。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、角運動量保存則を満たすために、ワイルコーンの両側の電子励起は円偏光の伝搬方向に沿って非対称に分布します。これはカイラル選択則と呼ばれます（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方法が採用されます。しかし、この方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できません。電子-フォノンと光子-フォノンの結合を考慮することができません。これは、特定の相転移が発生するために不可欠です。さらに、摂動理論に基づくこの理論解析では、強い光場下で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/北京集中物質物理国家重点実験室表面物理SF10グループの研究員孟勝、博士研究員の関夢雪、博士課程学生の王恩の指導の下、北京理工大学の孫家濤教授と共同で、独自開発の励起状態ダイナミクス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。
ワイル点近傍のキャリアの選択的励起は、原子軌道の対称性と遷移選択則によって決定され、これは通常のキラル励起のスピン選択則とは異なり、その励起経路は直線偏光の偏光方向と光子エネルギーを変えることによって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、実空間で異なる方向に光電流を誘起し、システムの層間スリップの方向と対称性に影響を与えます。WTe2のトポロジカル特性、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、システム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、運動量空間におけるワイル準粒子の異なる挙動と、それに伴うシステムのトポロジカル特性の変化をもたらします。したがって、この研究は、光トポロジカル相転移の明確な相図を提供します（図4）。
結果は、ワイル点近傍における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分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ための理論的根拠を提供する。さらに、本研究で採用した計算手法は、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の時間スケールで深く理解し、その微視的メカニズムを明らかにすることができ、トポロジカル材料における非線形光学現象に関する今後の研究において強力なツールとなることが期待される。
研究成果は学術誌「Nature Communications」に掲載されている。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的パイロットプロジェクト（カテゴリーB）の支援を受けて実施された。
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ワイル点χ=+1での原子軌道対称性による選択的励起。
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. ブリルアン領域の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な寄与。矢印(1)と(2)はそれぞれワイル点近傍と遠方の励起を表す；d. ガンマ-X方向に沿ったバンド構造の拡大
図3.ab：結晶のA軸および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、それに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変化と、kz=0平面における最も近い2つのワイル点の位置、数、および分離度を示します。
図4. Td-WTe2における直線偏光光の光子エネルギー(ω)と偏光方向(θ)に依存する光トポロジカル相転移の相図
投稿日時：2023年9月25日