پیشرفت‌هایی در مطالعه حرکت فوق سریع شبه‌ذرات ویل که توسط ... کنترل می‌شوند، حاصل شده است.لیزرها
در سال‌های اخیر، تحقیقات نظری و تجربی در مورد حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی و مواد کوانتومی توپولوژیکی به موضوعی داغ در حوزه فیزیک ماده چگال تبدیل شده است. نظم توپولوژیکی، به عنوان یک مفهوم جدید در طبقه‌بندی ماده، مانند تقارن، یک مفهوم اساسی در فیزیک ماده چگال است. درک عمیق توپولوژی با مسائل اساسی در فیزیک ماده چگال، مانند ساختار الکترونیکی پایه، مرتبط است.فازهای کوانتومی، گذارهای فاز کوانتومی و برانگیختگی بسیاری از عناصر بی‌حرکت در فازهای کوانتومی. در مواد توپولوژیکی، کوپلینگ بین درجات آزادی مختلف، مانند الکترون‌ها، فونون‌ها و اسپین، نقش تعیین‌کننده‌ای در درک و تنظیم خواص مواد دارد. برانگیختگی نوری می‌تواند برای تمایز بین برهمکنش‌های مختلف و دستکاری حالت ماده استفاده شود و سپس می‌توان اطلاعاتی در مورد خواص فیزیکی اساسی ماده، گذارهای فاز ساختاری و حالت‌های کوانتومی جدید به دست آورد. در حال حاضر، رابطه بین رفتار ماکروسکوپی مواد توپولوژیکی که توسط میدان نوری هدایت می‌شوند و ساختار اتمی میکروسکوپی و خواص الکترونیکی آنها به یک هدف تحقیقاتی تبدیل شده است.
رفتار پاسخ فوتوالکتریک مواد توپولوژیکی ارتباط نزدیکی با ساختار الکترونیکی میکروسکوپی آن دارد. برای نیمه‌فلزات توپولوژیکی، تحریک حامل در نزدیکی تقاطع نوار به شدت به ویژگی‌های تابع موج سیستم حساس است. مطالعه پدیده‌های نوری غیرخطی در نیمه‌فلزات توپولوژیکی می‌تواند به ما در درک بهتر خواص فیزیکی حالت‌های برانگیخته سیستم کمک کند و انتظار می‌رود که این اثرات در ساخت ...دستگاه‌های نوریو طراحی سلول‌های خورشیدی، که کاربردهای عملی بالقوه‌ای را در آینده فراهم می‌کند. به عنوان مثال، در یک شبه‌فلز وایل، جذب یک فوتون از نور قطبیده دایره‌ای باعث می‌شود که اسپین معکوس شود و به منظور رعایت پایستگی تکانه زاویه‌ای، برانگیختگی الکترون در دو طرف مخروط وایل به صورت نامتقارن در امتداد جهت انتشار نور قطبیده دایره‌ای توزیع می‌شود، که به آن قانون انتخاب کایرال می‌گویند (شکل 1).
مطالعه نظری پدیده‌های نوری غیرخطی مواد توپولوژیکی معمولاً از روش ترکیب محاسبه خواص حالت پایه ماده و تحلیل تقارن استفاده می‌کند. با این حال، این روش دارای برخی نقص‌ها است: فاقد اطلاعات دینامیکی بلادرنگ حامل‌های برانگیخته در فضای تکانه و فضای واقعی است و نمی‌تواند مقایسه مستقیمی با روش تشخیص تجربی با تفکیک زمانی ایجاد کند. کوپلینگ بین الکترون-فونون‌ها و فوتون-فونون‌ها را نمی‌توان در نظر گرفت. و این برای وقوع گذارهای فاز خاص بسیار مهم است. علاوه بر این، این تحلیل نظری مبتنی بر نظریه اختلال نمی‌تواند فرآیندهای فیزیکی تحت میدان نور قوی را بررسی کند. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تابعی چگالی وابسته به زمان (TDDFT-MD) مبتنی بر اصول اولیه می‌تواند مشکلات فوق را حل کند.
اخیراً، تحت راهنمایی محقق منگ شنگ، محقق فوق دکترا گوان منگشو و دانشجوی دکترا وانگ ان از گروه SF10 آزمایشگاه کلیدی ایالتی فیزیک سطح موسسه فیزیک آکادمی علوم چین/مرکز تحقیقات ملی پکن برای فیزیک ماده غلیظ، با همکاری پروفسور سان جیاتائو از موسسه فناوری پکن، از نرم‌افزار شبیه‌سازی دینامیک حالت برانگیخته TDAP که توسط خودشان توسعه داده شده است، استفاده کردند. ویژگی‌های پاسخ تحریک شبه‌ذرات به لیزر فوق سریع در نوع دوم نیمه‌فلز وایل WTe2 بررسی شده است.
نشان داده شده است که برانگیختگی انتخابی حامل‌ها در نزدیکی نقطه ویل توسط تقارن اوربیتال اتمی و قانون انتخاب گذار تعیین می‌شود، که با قانون انتخاب اسپین معمول برای برانگیختگی کایرال متفاوت است و مسیر برانگیختگی آن را می‌توان با تغییر جهت قطبش نور قطبیده خطی و انرژی فوتون کنترل کرد (شکل 2).
تحریک نامتقارن حامل‌ها، جریان‌های نوری را در جهات مختلف در فضای واقعی القا می‌کند که بر جهت و تقارن لغزش بین لایه‌ای سیستم تأثیر می‌گذارد. از آنجایی که خواص توپولوژیکی WTe2، مانند تعداد نقاط وایل و درجه جداسازی در فضای تکانه، به شدت به تقارن سیستم وابسته است (شکل 3)، تحریک نامتقارن حامل‌ها باعث رفتار متفاوت شبه‌ذرات وایل در فضای تکانه و تغییرات متناظر در خواص توپولوژیکی سیستم می‌شود. بنابراین، این مطالعه یک نمودار فاز واضح برای گذارهای فاز فوتوتوپولوژیکی ارائه می‌دهد (شکل 4).
نتایج نشان می‌دهد که باید به کایرالیته تحریک حامل در نزدیکی نقطه وایل توجه شود و خواص اوربیتال اتمی تابع موج نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. اثرات این دو مشابه است اما مکانیسم آنها به وضوح متفاوت است، که مبنای نظری برای توضیح تکینگی نقاط وایل فراهم می‌کند. علاوه بر این، روش محاسباتی اتخاذ شده در این مطالعه می‌تواند تعاملات پیچیده و رفتارهای دینامیکی را در سطوح اتمی و الکترونیکی در مقیاس زمانی فوق سریع عمیقاً درک کند، مکانیسم‌های میکروفیزیکی آنها را آشکار کند و انتظار می‌رود ابزاری قدرتمند برای تحقیقات آینده در مورد پدیده‌های نوری غیرخطی در مواد توپولوژیکی باشد.
نتایج در مجله Nature Communications منتشر شده است. این کار تحقیقاتی توسط طرح ملی تحقیق و توسعه کلیدی، بنیاد ملی علوم طبیعی و پروژه آزمایشی استراتژیک (رده B) آکادمی علوم چین پشتیبانی می‌شود.
شکل 1.a. قانون انتخاب کایرالیته برای نقاط وایل با علامت کایرالیته مثبت (χ=+1) تحت نور قطبیده دایره‌ای؛ برانگیختگی انتخابی ناشی از تقارن اوربیتال اتمی در نقطه وایل b. χ=+1 در نور قطبیده آنلاین
شکل 2. نمودار ساختار اتمی a، Td-WTe2؛ ب. ساختار نواری نزدیک سطح فرمی؛ (ج) ساختار نواری و سهم نسبی اوربیتال‌های اتمی توزیع‌شده در امتداد خطوط متقارن بالا در ناحیه بریلوئن، فلش‌های (1) و (2) به ترتیب نشان دهنده برانگیختگی نزدیک یا دور از نقاط وایل هستند؛ د. تقویت ساختار نواری در امتداد جهت گاما-X
شکل 3.ab: حرکت نسبی بین لایه‌ای جهت قطبش نور قطبیده خطی در امتداد محور A و محور B کریستال، و حالت حرکت مربوطه نشان داده شده است؛ C. مقایسه بین شبیه‌سازی نظری و مشاهده تجربی؛ de: تکامل تقارن سیستم و موقعیت، تعداد و درجه جدایی دو نقطه نزدیک ویل در صفحه kz=0
شکل 4. گذار فاز فوتوتوپولوژیکی در Td-WTe2 برای نمودار فاز وابسته به انرژی فوتون نوری قطبش خطی (?) ω) و جهت قطبش (θ)
زمان ارسال: ۲۵ سپتامبر ۲۰۲۳