پیشرفت هایی در مطالعه حرکت فوق سریع شبه ذرات ویل که توسط لیزر کنترل می شوند، حاصل شده است.

پیشرفت در مطالعه حرکت فوق سریع شبه ذرات ویل کنترل شده توسطلیزرها

در سال‌های اخیر، تحقیقات تئوری و تجربی بر روی حالت‌های کوانتومی توپولوژیکی و مواد کوانتومی توپولوژیکی به یک موضوع داغ در زمینه فیزیک ماده چگال تبدیل شده است. به عنوان یک مفهوم جدید از طبقه بندی ماده، نظم توپولوژیکی، مانند تقارن، یک مفهوم اساسی در فیزیک ماده متراکم است. درک عمیق توپولوژی به مسائل اساسی در فیزیک ماده چگال مربوط می شود، مانند ساختار الکترونیکی اولیهفازهای کوانتومی، انتقال فاز کوانتومی و تحریک بسیاری از عناصر بی حرکت در فازهای کوانتومی. در مواد توپولوژیکی، جفت شدن بین درجات مختلف آزادی، مانند الکترون ها، فونون ها و اسپین، نقش تعیین کننده ای در درک و تنظیم خواص مواد دارد. می توان از تحریک نور برای تمایز بین برهمکنش های مختلف و دستکاری وضعیت ماده استفاده کرد و سپس می توان اطلاعاتی در مورد ویژگی های فیزیکی اساسی ماده، انتقال فاز ساختاری و حالات کوانتومی جدید به دست آورد. در حال حاضر، رابطه بین رفتار ماکروسکوپی مواد توپولوژیکی رانده شده توسط میدان نور 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 نیمه فلزات توپولوژیکی، تحریک حامل در نزدیکی تقاطع باند به ویژگی های تابع موج سیستم بسیار حساس است. مطالعه پدیده‌های نوری غیرخطی در نیمه فلزات توپولوژیکی می‌تواند به ما در درک بهتر خواص فیزیکی حالت‌های برانگیخته سیستم کمک کند و انتظار می‌رود که بتوان از این اثرات در ساختدستگاه های نوریو طراحی سلول های خورشیدی که کاربردهای عملی بالقوه ای را در آینده ارائه می دهد. به عنوان مثال، در یک نیمه فلز ویل، جذب یک فوتون از نور قطبی شده دایره ای باعث چرخش اسپین می شود و برای برآورده شدن بقای تکانه زاویه ای، تحریک الکترون در دو طرف مخروط ویل به طور نامتقارن در امتداد توزیع می شود. جهت انتشار نور قطبی شده دایره ای، که قانون انتخاب کایرال نامیده می شود (شکل 1).

مطالعه نظری پدیده‌های نوری غیرخطی مواد توپولوژیکی معمولاً از روش ترکیب محاسبه خواص حالت پایه مواد و تجزیه و تحلیل تقارن استفاده می‌کند. با این حال، این روش دارای برخی ایرادات است: فاقد اطلاعات دینامیکی بی‌درنگ حامل‌های برانگیخته در فضای تکانه و فضای واقعی است و نمی‌تواند مقایسه مستقیمی با روش تشخیص آزمایشی حل‌شده با زمان برقرار کند. جفت شدن بین الکترون-فونون ها و فوتون-فونون ها را نمی توان در نظر گرفت. و این برای انتقال فازهای خاص بسیار مهم است. علاوه بر این، این تحلیل نظری مبتنی بر تئوری اغتشاش نمی‌تواند به فرآیندهای فیزیکی تحت میدان نور قوی بپردازد. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تابعی چگالی وابسته به زمان (TDDFT-MD) بر اساس اصول اولیه می‌تواند مشکلات فوق را حل کند.

اخیراً تحت هدایت محقق منگ شنگ، محقق فوق دکتری Guan Mengxue و دانشجوی دکتری Wang En از گروه SF10 آزمایشگاه کلیدی دولتی فیزیک سطح موسسه فیزیک آکادمی علوم چین/مرکز تحقیقات ملی پکن برای مواد متمرکز فیزیک، با همکاری پروفسور سان جیاتائو از موسسه فناوری پکن، از نرم افزار شبیه سازی دینامیک حالت هیجان زده TDAP استفاده کردند. ویژگی های پاسخ تحریک شبه ذره به لیزر فوق سریع در نوع دوم Weyl نیمه فلزی WTe2 بررسی شده است.

نشان داده شده است که تحریک انتخابی حامل‌ها در نزدیکی نقطه ویل توسط تقارن مداری اتمی و قانون انتخاب گذار تعیین می‌شود که با قانون انتخاب اسپین معمول برای تحریک کایرال متفاوت است و مسیر تحریک آن را می‌توان با تغییر جهت قطبش کنترل کرد. نور قطبی شده خطی و انرژی فوتون (شکل 2).

برانگیختگی نامتقارن حامل ها جریان های نوری را در جهات مختلف در فضای واقعی القا می کند که بر جهت و تقارن لغزش بین لایه ای سیستم تأثیر می گذارد. از آنجایی که خواص توپولوژیکی WTe2، مانند تعداد نقاط ویل و درجه جدایی در فضای تکانه، به شدت به تقارن سیستم وابسته است (شکل 3)، تحریک نامتقارن حامل ها رفتار متفاوت ویل را ایجاد می کند. شبه ذرات در فضای تکانه و تغییرات مربوطه در خواص توپولوژیکی سیستم. بنابراین، این مطالعه یک نمودار فاز واضح برای انتقال فاز فوتوپولوژیکی ارائه می دهد (شکل 4).

نتایج نشان می‌دهد که باید به کایرالیته تحریک حامل در نزدیکی نقطه ویل توجه کرد و ویژگی‌های مداری اتمی تابع موج را تحلیل کرد. اثرات این دو مشابه است، اما مکانیسم آشکارا متفاوت است، که مبنایی نظری برای توضیح تکینگی نقاط Weyl فراهم می‌کند. علاوه بر این، روش محاسباتی اتخاذ شده در این مطالعه می‌تواند عمیقاً تعاملات پیچیده و رفتارهای دینامیکی در سطوح اتمی و الکترونیکی را در مقیاس زمانی فوق‌العاده سریع درک کند، مکانیسم‌های میکروفیزیکی آن‌ها را آشکار کند و انتظار می‌رود ابزاری قدرتمند برای تحقیقات آینده باشد. پدیده های نوری غیرخطی در مواد توپولوژیکی

نتایج در مجله Nature Communications آمده است. کار تحقیقاتی توسط برنامه تحقیق و توسعه کلید ملی، بنیاد ملی علوم طبیعی و پروژه آزمایشی استراتژیک (رده B) آکادمی علوم چین پشتیبانی می شود.

شکل 1.a. قانون انتخاب کایرالیتی برای نقاط ویل با علامت کایرالیتی مثبت (χ=+1) تحت نور قطبی دایره ای. تحریک انتخابی ناشی از تقارن مداری اتمی در نقطه ویل b. χ=+1 در نور پلاریزه آنلاین

شکل 2. نمودار ساختار اتمی a, Td-WTe2; ب ساختار نواری در نزدیکی سطح فرمی. (ج) ساختار نواری و سهم نسبی اوربیتال‌های اتمی که در امتداد خطوط متقارن بالا در ناحیه بریلوین توزیع شده‌اند، فلش‌های (1) و (2) به ترتیب نشان‌دهنده تحریک نزدیک یا دور از نقاط ویل هستند. د تقویت ساختار باند در جهت گاما-X

شکل 3.ab: حرکت بین لایه ای نسبی جهت قطبش نور قطبی شده خطی در امتداد محور A و محور B کریستال و حالت حرکت مربوطه نشان داده شده است. ج. مقایسه بین شبیه سازی نظری و مشاهده تجربی. de: تکامل تقارن سیستم و موقعیت، تعداد و درجه جدایی دو نزدیکترین نقطه ویل در صفحه kz=0.

شکل 4. انتقال فاز فوتوپولوژیکی در Td-WTe2 برای انرژی فوتون نور قطبی خطی (?) ω) و نمودار فاز وابسته جهت قطبش (θ)