近年來，拓撲量子態和拓撲量子材料的理論、實驗研究，成為凝聚態物理研究領域的前沿熱點。拓撲序作為全新的物質分類概念，與對稱性一樣，是凝聚態物理中的基礎性概念。深刻理解拓撲，關系到凝聚態物理研究的基本問題，如量子相的基本電子結構、量子相變以及量子相中的許多無能隙元激發等。在拓撲材料中，電子、聲子及自旋等多種自由度之間的耦合，對于理解、調控材料性質具有決定性作用。光激發可用于區分不同的相互作用并操控物質狀態，材料的基本物性、結構相變以及新的量子態信息會隨之獲得。目前，解析光場驅動下拓撲材料宏觀行為與其微觀原子結構、電子性質的關聯已成為研究目標。
拓撲材料的光電響應行為與其微觀電子結構密切相關。對于拓撲半金屬來說，能帶交叉點附近的載流子激發對體系波函數特征高度敏感。對拓撲半金屬中非線性光學現象的研究可以幫助我們更深入地理解系統激發態的物理性質，并有望將這些效應用于光學器件的制造和太陽能電池的設計，為未來潛在的實際應用提供可能。例如，外爾（Weyl）半金屬中，吸收一個圓偏振光的光子將導致自旋的翻轉，為了滿足角動量守恒，沿著圓偏振光傳播的方向，Weyl錐兩側的電子激發將呈不對稱分布，該規律稱為手性選擇定則（圖1）。
對拓撲材料非線性光學現象的理論研究通常采用將材料基態性質計算和對稱性分析相結合的方法，而這樣的處理方法存在缺陷：缺少被激發載流子在動量空間及實空間的實時動力學信息，無法建立與時間分辨實驗探測手段的直接對比；無法考慮電子-聲子及光子-聲子之間的耦合。而這對于某些相變過程的發生至關重要。此外，這種基于微擾論的理論分析無法處理強光場下的物理過程?；诘谝恍栽淼暮瑫r密度泛函分子動力學（TDDFT-MD）模擬能夠較好地解決上述問題。
近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF10組博士后關夢雪和博士生王恩，在研究員孟勝的指導下，與北京理工大學教授孫家濤合作，運用自主開發的激發態動力學模擬軟件TDAP，探究了第二類外爾半金屬WTe2中準粒子激發對超快激光的響應特征。
研究顯示，在Weyl點附近存在由原子軌道對稱性及躍遷選擇定則所決定的載流子的選擇性激發，與通常手性激發的自旋選擇定則不同，其激發路徑可通過改變線偏振光的極化方向及光子能量加以控制（圖2）。
載流子的不對稱激發將在實空間誘導出不同方向的光電流，從而影響體系的層間滑移的方向和對稱性特征。由于WTe2的拓撲性質，例如，Weyl點的數目及其在動量空間中的分離程度等，高度依賴于體系的對稱性（圖3），載流子的不對稱激發將帶來Weyl準粒子在動量空間的不同變化行為，以及體系拓撲性質的相應改變。因此，該研究為光致拓撲相變提供了清晰的相圖（圖4）。
研究表明，Weyl點附近的載流子激發要關注其手性，也要剖析其附近的波函數原子軌道特性。兩者的效應類似但機制差別明顯，為闡釋Weyl點的奇異性提供了理論依據。此外，該研究采用的計算方法能夠在超快的時間尺度內深入理解原子、電子層次上復雜的相互作用及動力學行為，揭示其微觀物理機制，并有望成為未來研究拓撲材料中非線性光學現象的有力工具。
相關相關成果發表在《自然-通訊》上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院戰略性先導專項（B類）的資助。
圖1.a.手性符號為正(χ=+1)的Weyl點在圓偏振光下的手性選擇定則；b. χ=+1的Weyl點在線偏振光下由于原子軌道對稱性導致的選擇性激發
圖2.a、Td-WTe2的原子結構示意圖；b、費米面附近的能帶結構；c、沿著布里淵區高對稱線分布的能帶結構及原子軌道的相對貢獻，箭頭①及②分別代表靠近或遠離Weyl點的激發；d、沿著Γ-X方向能帶結構的放大
圖3.a-b：線偏振光極化方向沿著晶體a軸及b軸的層間相對運動，插圖為相應的運動模式；c、理論模擬與實驗觀測的比較；d-e：體系的對稱性演化及kz=0平面內兩個最鄰近Weyl點的位置、數目及分離程度
圖4.Td-WTe2中光致拓撲相變對線偏振光光子能量（？ω）及極化方向（θ）的依賴相圖
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