Pump-probe techniques with high temporal resolution allow one to drive a system of interest out of equilibrium and at the same time, probe its properties. Recent advances in these techniques open the door to studying new, non-equilibrium phenomena such as Floquet topological insulators and superconductors. These advances also necessitate the development of theoretical tools for understanding the experimental findings and predicting new ones. In the present work, we provide a theoretical foundation to understand the non-equilibrium behavior of a Dirac system. We present detailed numerical calculations and simple analytic results for the evolution of a Dirac system irradiated by light. These results are framed intuitively by appealing to the recently revitalized notion of side-bands. We find that, under the application of circularly polarized light, a Dirac point only ever splits into two copies of sidebands. Meanwhile, the application of linearly polarized light leaves the Dirac point intact while producing side bands. Our immediate interest in this work is in connection to time and angle resolved photoemission experiments, where we find excellent qualitative agreement between our results and those in the literature. However, our results are general and may prove useful beyond this particular application and should be relevant to other pump-probe experiments.
Detecting the full photoemission cone from laser-based ARPES experiments by leveraging deflector technology
Institut National de la Recherche Scientifique - Énergie Matériaux Télécommunications（国立科学研究研究所 - 能源材料电信）；McGill University（麦吉尔大学）；Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids（马克斯·普朗克固体化学物理研究所）；Brookhaven National Laboratory（布鲁克海文国家实验室）
Floquet theory of photoinduced topological phase transitions in the organic salt $α$-(BEDT-TTF)$_2$I$_3$ irradiated with elliptically polarized light
本文从理论上研究了在单轴压力下有机盐$α$ -（BEDT-TTF）$_2$ I $_3$中可能发生的光致拓扑相变。Floquet分析的驱动紧束缚模型，这种材料揭示了丰富的光致变化的能带结构，陈数，霍尔电导率照射下的椭圆偏振光。所得到的相图包含多种非平衡稳定相，例如，Floquet Chern绝缘子、Floquet半金属和Floquet正常绝缘子相。这一工作拓宽了光致拓扑相变研究的目标材料范围，并有助于物质中电子态的光学操纵研究的发展。
Real-time dynamics of the photoinduced topological state in organic conductor $α$-(BEDT-TTF)$_2$I$_3$ under continuous-wave and pulse excitations
我们从理论上研究了最近用Floquet理论预测的有机导体$α$ -（BEDT-TTF）$_2$ I $_3$中光致拓扑相变到非平衡Floquet Chern绝缘体的实时动力学。利用紧束缚模型$α$ -（BEDT-TTF）$_2$ I $_3$，求解了含时薛定谔方程，得到了圆偏振光连续波和脉冲激发下的物理量随时间的演化.我们证明，对于连续波激发，陈数和霍尔电导率的时间曲线显示Floquet拓扑绝缘体的迹象。我们认为，霍尔电导率表现出一个缓慢的振荡，其频率对应于由Floquet带结构确定的光致直接间隙。在脉冲激发下，得到了瞬态激发谱，据此我们推测了脉冲辐照过程中Floquet带的形成和狄拉克点处的能隙开放。这种动态间隙的形成也表现为霍尔电导率的缓慢振荡分量;也就是说，它的频率随着时间的推移而增加，朝向脉冲峰值，在该脉冲峰值处，它几乎与光致直接间隙重合。实验结果的相关性进行了讨论。
Predicted novel type of photoinduced topological phase transition accompanied by collision and collapse of Dirac-cone pair in organic salt $α$-(BEDT-TTF)$_2$I$_3$
自从在石墨烯中预言了Dirac-电子系统的光致拓扑相变以来，光致拓扑相变引起了广泛的研究兴趣。圆偏振光的应用在Dirac点处打开了一个能隙，通过打破时间反演对称性使系统成为拓扑非平凡的Chern绝缘体相。然而，大多数先前研究的二维狄拉克系统中的现象基本上是基于相同的物理机制，即，用圆偏振光在狄拉克电子带中产生能隙，缺乏物理上的多样性。本文从理论上预言了有机盐$α$ -（BEDT-TTF）$_2$ I $_3$中一种新型的伴随着带隙Dirac点碰撞和坍缩的光致拓扑相变。通过建立该化合物的Floquet理论，我们证明了椭圆偏振光的照射通过光致能带形变和能带坍缩引起Dirac点的碰撞，最终导致当椭圆轴相对于晶轴成特定角度时，从具有带隙Dirac锥的拓扑半金属到正常绝缘体的拓扑相变.我们认为，这种新的光致相变可以通过测量霍尔电导率的实验检测。本文的工作丰富了光致拓扑相变的基础物理，有助于这一快速发展的研究领域的发展。
Predicted photoinduced pair annihilation of emergent magnetic charges in the organic salt $α$-(BEDT-TTF)$_2$I$_3$ irradiated by linearly polarized light
长期的实验尝试，以找到磁单极子（即，在三维空间中具有孤立磁荷的基本粒子）尚未成功，尽管自1931年狄拉克提出以来进行了大量的努力。粒子物理学家已经预言了两个符号相反的磁荷可能发生碰撞和对湮灭。然而，如果这种湮灭存在，它的实验观测将是困难的，因为它的能量尺度被预测为非常高（$\sim$ 10 $^{16}$ GeV）。在目前的工作中，我们理论上预测使用Floquet理论，一对轻微的带隙的Dirac锥带在弱电荷有序的有机导体$α$ -（BEDT-TTF）$_2$ I $_3$，这表现为磁荷在动量空间中具有相反的符号，表现出对湮灭线偏振光照射下。这种光致对湮灭是伴随着一个非拓扑相变的Floquet正常绝缘体相的对比，众所周知的圆偏振光诱导的拓扑相变的Floquet陈省身绝缘体相。我们讨论了$α$ -（BEDT-TTF）$_2$ I $_3$具有能够实现合适的实验条件（即，非共振条件）和提供所需交错位置电势的电荷有序状态，从而提供了可用于观察预测的对湮灭现象的材料的罕见实例。并对实验观测的可行性进行了讨论。
Orbital Complexity in Intrinsic Magnetic Topological Insulators MnBi$_4$Te$_7$ and MnBi$_6$Te$_{10}$
利用角分辨光电子能谱（ARPES）研究了磁性范德华化合物MnBi $_4$ Te $_7$和MnBi $_6$ Te $_{10}$的表面电子结构，这两个化合物是模块（Bi $_2$ Te $_3$）$_n$（MnBi $_2$ Te $_4$）系列中的$n=$~1和2个成员，它们作为本征磁性拓扑绝缘体引起了人们的兴趣.结合圆二向色性，自旋分辨和光子能量依赖的ARPES测量与计算的基础上密度泛函理论，我们揭示了复杂的动量依赖的轨道和自旋纹理的表面电子结构和解纠缠拓扑从平凡的表面带。我们发现，Dirac-cone色散的拓扑表面状态的强烈扰动的杂化与价带状态的Bi $_2$ Te $_3$终止的表面，但仍然保留MnBi $_2$ Te $_4$终止的表面。我们的研究结果牢固地建立了这些磁性范德华材料的拓扑非平凡性质，并表明实现量子化的异常霍尔电导率的可能性取决于表面终止。
