拓撲量子態和拓撲量子材料的理論、實驗研究近些年來方興未艾，成為匯聚態化學研究領域的重要前沿。拓撲序作為一種全新的物質分類概念，與對稱性一樣是匯聚態化學中的基礎性概念。對拓撲的深刻理解，關系到匯聚態化學研究中的眾多基本問題，比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迸發等。在拓撲材料中，電子、聲子以及載流子等多種自由度之間的耦合對于理解并調控材料性質有著決定性作用。光迸發可用于分辨不同的互相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也會急劇獲得。目前，深入理解光場驅動下拓撲材料宏觀行為與其微觀原子結構、電子性質的關聯已然成為諸多研究人員的目標。
圖1.a.手性符號為正(χ=+1)的Weyl點在圓偏振下的手性選擇定則；b.χ=+1的Weyl點在線偏振下因為原子軌道對稱性造成的選擇性迸發。
拓撲材料的光電響應行為與其微觀電子結構密切相關。非常的，對于拓撲半金屬來說，能帶交叉點附近的自旋迸發對體系波函數特點高度敏感。對拓撲半金屬中非線性光學現象的研究除了可以幫助我們更深入地理解系統迸發態的化學性質，而且有望將這種效應用于光學元件的制造和太陽能電板的設計，為未來潛在的實際應用提供了可能。諸如，外爾（Weyl）半金屬中，吸收一個圓偏振的光子將造成載流子的翻轉，為了滿足角動量守恒，順著圓偏振傳播的方向，Weyl錐兩邊的電子迸發將呈不對稱分布，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一般采用將材料能級性質估算和對稱性剖析相結合的方式，但是，這樣的處理方式存在顯著的缺陷。首先，缺乏被迸發自旋在動量空間及實空間的實時動力學信息，未能完善與時間區分實驗偵測手段的直接對比。其次，未能考慮電子-聲子及光子-聲子之間的耦合。而這對于個別相變過程的發生至關重要。據悉，這些基于微擾論的理論剖析未能處理強光場下的化學過程。基于第一性原理的含時密度泛函分子動力學（TDDFT-MD）模擬就能挺好地解決以上問題。
近日，中國科大學數學研究所/上海匯聚態化學國家研究中心表面化學國家重點實驗室SF10組的博士后關夢雪和博士生王恩（共同第一作者），在孟勝研究員的指導下，與沈陽理工學院孫家濤院長合作，借助自主開發的迸發態動力學模擬軟件TDAP，系統地研究了第二類外爾半金屬WTe2中準粒子迸發對超快激光的響應特點。
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.順著貝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分別代表緊靠或遠離Weyl點的迸發;d.順著Γ-X方向能帶結構的放大。
研究表明，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自旋的選擇性迸發，與一般手性迸發的載流子選擇定則大為不同的是，其迸發路徑可以通過改變線偏振的極化方向及光子能量加以控制(圖2)。
自旋的不對稱迸發將在實空間誘導出不同方向的光電流凝聚態物理研究方向和前景，進而影響體系的層間滑移的方向和對稱性特點。因為WTe2的拓撲性質，比如Weyl點的數量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)，自旋的不對稱迸發將帶來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。為此，本工作同時為光致拓撲相變提供了清晰的相圖（圖4）。
圖3.a-b,線偏振極化方向順著晶體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.體系的對稱性演變及kz=0平面內兩個最毗鄰Weyl點的位置、數目及分離程度。
圖4.Td-WTe2中光致拓撲相變中單偏振光子能量（?ω）及極化方向（θ）的依賴相圖。
本研究工作闡明了Weyl點附近的自旋迸發不但要關注其手性，還要仔細剖析其附近的波函數原子軌道特點。二者的效應類似但機制差異顯著凝聚態物理研究方向和前景，為深入理解Weyl點的奇異性提供了理論根據。據悉，該工作所采用的估算方式才能在超快的時間尺度內深入理解原子、電子層次上復雜的互相作用及動力學行為，闡明其微觀化學機制，有望成為未來研究拓撲材料中非線性光學現象的有利工具。
相關成果近期發表在《自然通信》(12,1885(2021))上。該工作得到了科技部重點研制計劃、國家自然科學基金委和中國科大學戰略性先導專項(B類)的捐助。作者謝謝與倫斯勒理工大學張繩百院士的有益討論。
