Теоретическое описание индуцированных светом топологических состояний
Топологические материалы, обладающие определенной симметрией на атомном уровне, в том числе топологические изоляторы и топологические полуметаллы, вызвали восхищение у многих ученых, изучающих конденсированные состояния, из-за их сложных электронных свойств. Теперь исследователи в Японии продемонстрировали, что обычный полупроводник может быть преобразован в топологический полуметалл с помощью светового облучения. Кроме того, они показали, как спин-зависимые реакции могут проявляться при освещении лазерным светом с круговой поляризацией. Опубликовано в Physical Review B, эта работа исследует возможность создания топологических полуметаллов и проявления новых физических свойств с помощью управления светом, что может открыть богатые физические границы для топологических свойств.
Энергетические дисперсии E(k) восходящих и нисходящих полос при kz=0, которые увеличиваются вокруг E=0. Здесь красной (синей) сплошной линией обозначены полосы, в которых преобладает скорее s-орбитальная (p-орбитальная) компонента. Ось абсцисс kl измеряется в единицах 1/dl с l=x,y,z. (a) E(k) в плоскости kx −ky при kz =0 для зон с верхним спином. (б) То же, что и панель (а), но для полос с нисходящим вращением.
Предоставлено: Physical Review B (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.085206
Большинство обычных веществ являются либо электрическими проводниками, как металлы, либо изоляторами как пластик. Напротив, топологические изоляторы могут демонстрировать необычное поведение, при котором электрические токи текут по поверхности образца, а не внутри. Это характерное поведение тесно связано с топологическими свойствами, присущими электронному состоянию. Кроме того, новая фаза, называемая топологическим полуметаллом, обеспечивает новую площадку для изучения роли топологии в конденсированных средах. Тем не менее физика, лежащая в основе этих систем, все еще обсуждается.
Исследователи из Университета Цукубы изучили динамику возбуждений в арсениде цинка (Zn3As2) при облучении лазером с круговой поляризацией. Арсенид цинка обычно считается узкозонным полупроводником, что означает, что электроны не могут свободно перемещаться самостоятельно, но могут легко приводить в движение энергию внешнего источника света. При правильных условиях материал может проявлять особое топологическое состояние, называемое «полуметаллом Флоке-Вейля», которое представляет собой топологический полуметалл в сочетании со светом. В этом случае электрический токмогут переноситься в виде квазичастиц, называемых фермионами Вейля. Поскольку эти квазичастицы движутся так, как если бы они имели нулевую массу, и сопротивляются рассеянию, фермионы Вейля могут легко перемещаться через материал.
«Полуметаллы Флоке-Вейля обладают несколькими редкими свойствами, которые можно использовать в электронных устройствах, включая высокую подвижность, колоссальное магнитное сопротивление и спин-поляризованные токи», — говорит автор профессор Кеничи Хино. В текущей работе исследователи показали, что когда левополяризованный лазер непрерывного действия с круговой поляризацией настраивается на частоту, которая почти соответствует энергетической щели в материале, электроны со спином вниз и со спином вверх образуют разные фазы, т.е. Полуметалл Weyl и изолятор с узким зазором. Последний находится в непосредственной близости от другого топологического полуметалла, называемого полуметаллом узловой линии.
«Наше исследование переходной динамики возбуждения в арсениде цинка может углубить понимание лежащей в основе физики этих материалов», — говорит старший автор Раннан Чжан. Это фундаментальное исследование также может помочь ускорить разработку методов индуцированного светом поверхностного намагничивания немагнитных материалов.
