手性晶體中拓撲費米子的手性弗洛凱工程

核心概念

通過圓偏振光泵浦，可以實現手性晶體中拓撲費米子的手性弗洛凱工程，進而操控其電子結構和特性，並產生瞬態反常霍爾效應。

摘要

研究背景

手性是自然界中普遍存在的現象，在量子材料領域中，手性晶體由於缺乏鏡面、反演或旋轉反演對稱性，在其晶格中表現出獨特的手性。
CoSi 化合物家族作為手性晶體的典型代表，具有非常規手性費米子，並表現出一系列與手性相關的物理現象。
光子與手性準粒子一樣，具有光學手性，利用時間週期性激光場的弗洛凱工程為在非平衡態下設計和操控量子材料的特性提供了機會。
研究內容

本文報道了利用圓偏振光 (CPL) 泵浦，在手性晶體 CoSi 中對具有高陳數的拓撲費米子進行手性弗洛凱工程的研究。
研究發現，強光泵浦不會損害 CoSi 中拓撲費米子的無能隙特性，但會沿著光傳播方向移動動量空間中的交叉點。
研究提出了弗洛凱手性指數的概念，用以表徵拓撲費米子、晶體和入射光的手性之間的相互作用，它決定了光誘導動量偏移的幅度和方向。
研究發現，CPL 泵浦引起的時間反演對稱性破缺導致拓撲費米子的動量偏移，從而在非磁性 CoSi 中產生瞬態反常霍爾信號。
研究方法

採用基於微擾理論的弗洛凱有效 k · p 模型，並輔以基於 ab initio 計算的弗洛凱緊束縛哈密頓量作為基準，研究了 CoSi 中拓撲費米子的演化。
忽略了偶極躍遷的影響，因為它們不會從根本上改變動量偏移的定性行為。
計算了在 CPL 泵浦下 CoSi 的布里淵區中體態的分佈，並將其投影到 (001) 側面上，觀察光誘導的非對稱特徵。
計算了在 CPL 泵浦下 LH 和 RH CoSi 投影到 (001) 表面上的表面能帶結構，觀察費米弧的演化。
研究結論

圓偏振光泵浦可以誘導 CoSi 中拓撲費米子的動量偏移，偏移方向平行或反平行於入射光束的傳播方向，具體取決於弗洛凱手性指數。
通過分析拓撲費米子低能哈密頓量的 su(2) 李代數表示，可以將研究結論推廣到 CoSi 家族中的其他自旋軌道耦合主導的重元素化合物，以及其他自旋-S 費米子激發。
提出了利用時間分辨角分辨光電子能譜 (TrARPES) 和中紅外泵浦 - 太赫茲克爾或法拉第探針光譜實驗來檢測 CoSi 中光誘導電子結構變化的方案。
研究意義

本文的研究結果為利用弗洛凱工程中的手性作為可調節的自由度開闢了新途徑，為實現材料特性的超快切換和開發創新型光電子器件提供了新的思路。

统计

CoSi 單晶的散射時間約為 131 fs。
使用光子能量約為 100 meV、電場強度高達 4.4 × 10^7 V/m 的中紅外泵浦激光可以激發 CoSi 化合物中的弗洛凱態。

从中提取的关键见解

Chiral Floquet Engineering on Topological Fermions in Chiral Crystals

by Benshu Fan, ... 在 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.03115.pdf

更深入的查询

如何將手性弗洛凱工程應用於其他類型的量子材料？

手性弗洛凱工程為操控量子材料的特性開闢了新的途徑，其應用前景並不局限於拓撲費米子或 CoSi 等手性晶體。以下列舉了將手性弗洛凱工程應用於其他類型量子材料的潛在方向：

拓撲絕緣體： 手性弗洛凱工程可用於操控拓撲絕緣體的表面態，例如通過圓偏振光誘導表面態產生動量偏移、能隙打開或拓撲相變。這些效應可用於實現新型光電器件，例如手性邏輯閘和手性光學腔。

狄拉克半金屬： 類似於拓撲費米子，狄拉克半金屬中的狄拉克點也具有手性。通過手性弗洛凱工程，可以實現對狄拉克點的選擇性操控，例如誘導動量偏移、能隙打開或產生手性異常霍爾效應。

磁性材料： 圓偏振光可以與磁性材料中的電子自旋相互作用，從而實現對材料磁性的光學操控。手性弗洛凱工程可用於研究光誘導磁化動力學、自旋波激發以及開發新型磁光存儲器件。

超導體： 圓偏振光可以改變超導體中的電子配對機制，從而影響其超導特性。手性弗洛凱工程可用於研究光誘導超導相變、操控超導能隙以及開發新型超導光電器件。

總之，手性弗洛凱工程為研究和操控各種量子材料提供了強大的工具。通過選擇合適的材料體系和光學參數，可以實現對材料電子結構和物理特性的精確操控，從而為開發新型量子器件和技術提供新的可能性。

強光泵浦除了引起動量偏移外，是否還會對拓撲費米子的其他特性產生影響？

是的，強光泵浦除了引起拓撲費米子的動量偏移外，還可能對其其他特性產生影響，例如：

能帶重整化： 強光泵浦可以導致能帶結構的重整化，改變費米速度、有效質量等特性。這與光誘導的電子-電子相互作用和電子-聲子相互作用增強有關。

壽命縮短： 強光泵浦會激發電子躍遷到高能級，增加散射機率，從而縮短拓撲費米子的壽命。

非線性光學響應： 強光泵浦下，拓撲費米子可能表現出非線性光學響應，例如倍頻、和頻產生等。這些效應與光場對材料非線性極化率的影響有關。

光電流產生： 強光泵浦可以打破材料中的空間反演對稱性和時間反演對稱性，從而產生光電流。在拓撲材料中，這些光電流可能表現出手性依賴性。

Floquet 拓撲態： 在特定條件下，強光泵浦可以驅動拓撲費米子發生拓撲相變，形成 Floquet 拓撲態。這些狀態具有與平衡態不同的拓撲性質，並可能表現出奇異的物理現象。

需要注意的是，強光泵浦對拓撲費米子特性的影響是一個複雜的問題，與具體的材料體系、光學參數以及實驗條件密切相關。

如何利用手性弗洛凱工程實現對拓撲費米子更精確、可控的操控？

實現對拓撲費米子更精確、可控的操控是手性弗洛凱工程的目標之一。以下是一些可行的策略：

優化光學參數： 通過精確調節圓偏振光的頻率、偏振態、強度和脈衝形狀，可以選擇性地操控特定拓撲費米子的特性。例如，可以利用不同頻率的光來選擇性地激發不同能量的拓撲費米子，或利用不同的偏振態來操控其自旋特性。

材料設計與合成： 通過材料設計和合成，可以改變拓撲費米子的能帶結構、費米速度、手性等特性，從而影響其對光的響應。例如，可以通過改變材料的組分、晶體結構或引入應變來調節拓撲費米子的特性。

結合其他調控手段： 將手性弗洛凱工程與其他調控手段相結合，例如電場、磁場、應變等，可以實現對拓撲費米子更精確、靈活的操控。例如，可以利用電場來調節拓撲費米子的能量和動量，或利用磁場來操控其自旋特性。

發展新型探測技術： 開發具有更高時間分辨率、空間分辨率和能量分辨率的新型探測技術，例如時間分辨角分辨光電子能譜（TrARPES）、超快光學泵浦-探測技術等，對於深入理解手性弗洛凱工程的作用機制以及實現對拓撲費米子的精確操控至關重要。

總之，通過不斷優化光學參數、材料設計、調控手段和探測技術，手性弗洛凱工程有望實現對拓撲費米子更精確、可控的操控，為開發基於拓撲材料的新型量子器件和技術奠定基礎。