通訊單位：Brookhaven National Laboratory & Stony Brook University，Iowa State University and Ames Laboratory

DOI：10.1038/s41563-020-00882-4

背景介紹

受拓撲態保護的無耗散電流有望用於容錯電子和量子計算。人們對狄拉克（Dirac）和Weyl材料的廣泛研究已經確定了半金屬中存在受拓撲保護的電子輸執行為。然而目前為止，人們仍然缺乏光誘導狄拉克到Weyl拓撲相變的證明。對於中心對稱的狄拉克材料，存在以下挑戰：由於非線性係數ηi,j,k是一個三階張量且對反演對稱的狄拉克材料存在消散成分，因此不可能透過二階耦合ηi,j,kEjE*k的脈衝光場E（t）來產生光電流（E（E*）和t是電場向量（複共軛）和時間，而i，j和k表示場的笛卡爾座標）。

類似於透過光波驅動的Floquet工程，理論上證實透過打破時間反演對稱性、在光脈衝過程中可存在穩定的Floquet-Weyl半金屬，此處可以透過光誘導具有破缺反演對稱（IS）的相干聲子振盪來動態生成首選的破缺方向。然而，目前在拓撲結構中尚不存在這種可以透過光動態產生Weyl點（WP）並透過手性費米子保護實現無耗散電流的聲子驅動IS破缺原理。

本文亮點

1、作者在中心對稱的狄拉克材料中實驗發現並揭示了光誘導相干聲子動力學驅動的反演對稱破壞和Weyl點WPs形成的拓撲控制原理即IS破缺原理。

2、在ZrTe5的相干驅動下，作者發現了Berry曲率對魯棒的光電流和電荷傳輸的主要貢獻，包括圓形光電流效應和具有明顯溫度依賴性的強無耗散光電流。

3、本研究為WPs的相干操縱和強大的量子傳輸開創了先河，而無需施加靜電場或磁場。

圖文解析

▲圖1. 光誘導IS聲子破缺產生的強各向異性位移電流

要點：

1、作者在中心對稱的狄拉克材料ZrTe5中由鐳射誘導破缺反演對稱性的相干聲子驅動產生了具有消失散射的強各向異性太赫茲THz非線性電流。

2、作者表明，這種聲子THz對稱性轉換會導致Weyl點的形成，其手徵性將透過圓形光電效應在與旋度相關的正交於動態反演對稱破缺軸的橫向電流中體現。

▲圖2. 光電流的螺旋度依賴及溫度依賴性

▲圖3. 具有消失散射的拓撲光電流的相干傳輸

要點：

1、具有溫度依賴的拓撲光電流具有幾個獨特的特徵：Berry曲率優勢、圓錐點附近的粒子-孔反轉和可導致~10μm超長彈道傳輸長度的手性保護。

2、這種THz聲子對稱開關還可擴充套件用於探索週期性驅動的手性相變和各種量子材料中的相干控制。

▲圖4. 透過激發相干B1u模式模擬光致WPs

要點：

1、實驗結果與第一原理計算表明，由反演對稱破缺的B1u聲子動態地建立了兩對WPs。

2、作者認為本文還值得進一步研究，以透過直接電子結構探針和聲子振盪週期內的量子動力學模擬來解析光誘導的Weyl半金屬和相應的表面費米弧。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00882-4

作者簡介

Jigang Wang

Jigang Wang，美國能源部材料科學與工程部Ames實驗室高階研究員，美國能源部Ames實驗室Light-Matter Quantum Control小組負責人。

研究方向：

1. 量子系統驅動和相干控制

2. emergent matter光譜學

3. 基礎光伏物理學

4. 超快速奈米成像/光譜

5. 量子飛秒磁

6. 非線性光學和量子光學

主頁：

https://faculty.sites.iastate.edu/jgwang/

Qiang Li

李強（Qiang Li），本科畢業於中國科學技術大學（1986），博士畢業於愛荷華州立大學（1991），現為

研究興趣：

2. 透過MBE、PLD和CVD進行單晶生長、薄膜生長

3. 基於同步加速器的晶體結構，電子性質和缺陷表徵

4. 電子和熱傳遞性質，熱力學性質和磁性質表徵

5. 奈米結構的製備與表徵等

主頁：

https://www.bnl.gov/cmpmsd/aem/people/profiles/liQiang.php