חלה התקדמות בחקר התנועה האולטרה-מהירה של קוואזי-חלקיקי וייל הנשלטים על ידי לייזרים.

חלה התקדמות בחקר התנועה האולטרה-מהירה של קוואזי-חלקיקי וייל הנשלטים על ידילייזרים

בשנים האחרונות, המחקר התיאורטי והניסויי על מצבים קוונטיים טופולוגיים וחומרים קוונטיים טופולוגיים הפך לנושא חם בתחום פיזיקת החומר המעובה. כמושג חדש של סיווג חומר, סדר טופולוגי, כמו סימטריה, הוא מושג יסודי בפיזיקת החומר המעובה. הבנה מעמיקה של טופולוגיה קשורה לבעיות הבסיסיות בפיזיקת החומר המעובה, כגון המבנה האלקטרוני הבסיסי שלפאזות קוונטיות, מעברי פאזה קוונטיים ועירור של אלמנטים מקובעים רבים בפאזות קוונטיות. בחומרים טופולוגיים, הצימוד בין דרגות חופש רבות, כגון אלקטרונים, פונונים וספין, ממלא תפקיד מכריע בהבנה ובוויסות תכונות החומר. ניתן להשתמש בעירור אור כדי להבחין בין אינטראקציות שונות ולמניפולציה של מצב החומר, וניתן לקבל מידע על התכונות הפיזיקליות הבסיסיות של החומר, מעברי פאזה מבניים ומצבים קוונטיים חדשים. כיום, הקשר בין התנהגות מקרוסקופית של חומרים טופולוגיים המונעת על ידי שדה אור לבין המבנה האטומי המיקרוסקופי והתכונות האלקטרוניות שלהם הפך למטרת מחקר.

התנהגות התגובה הפוטואלקטרית של חומרים טופולוגיים קשורה קשר הדוק למבנה האלקטרוני המיקרוסקופי שלהם. עבור מתכות למחצה טופולוגיות, עירור נושא הגל ליד צומת הפסים רגיש מאוד למאפייני פונקציית הגל של המערכת. חקר תופעות אופטיות לא לינאריות בחצי מתכות טופולוגיות יכול לעזור לנו להבין טוב יותר את התכונות הפיזיקליות של המצבים המעוררים של המערכת, וצפוי כי ניתן יהיה להשתמש בהשפעות אלו בייצור של...מכשירים אופטייםותכנון תאים סולאריים, המספקים יישומים מעשיים פוטנציאליים בעתיד. לדוגמה, במתכת וייל למחצה, בליעת פוטון של אור מקוטב מעגלי תגרום לספין להתהפך, ועל מנת לעמוד בדרישות שימור התנע הזוויתי, עירור האלקטרונים משני צידי חרוט וייל יתפזר בצורה אסימטרית לאורך כיוון התפשטות האור המקוטב המעגלי, מה שנקרא כלל הבחירה הכיראלית (איור 1).

המחקר התיאורטי של תופעות אופטיות לא לינאריות של חומרים טופולוגיים מאמץ בדרך כלל את השיטה של ​​שילוב חישוב תכונות מצב היסוד של החומר וניתוח סימטריה. עם זאת, לשיטה זו יש כמה פגמים: היא חסרה מידע דינמי בזמן אמת של נושאי גל מעוררים במרחב התנע ובמרחב האמיתי, והיא אינה יכולה ליצור השוואה ישירה עם שיטת הגילוי הניסיונית בזמן-פתרון. לא ניתן להתחשב בצימוד בין אלקטרונים-פונונים לפוטונים-פונונים. וזה קריטי להתרחשות מעברי פאזה מסוימים. בנוסף, ניתוח תיאורטי זה המבוסס על תורת ההפרעות אינו יכול להתמודד עם התהליכים הפיזיקליים תחת שדה אור חזק. סימולציית דינמיקה מולקולרית פונקציונלית צפיפות תלוית-זמן (TDDFT-MD) המבוססת על עקרונות ראשוניים יכולה לפתור את הבעיות הנ"ל.

לאחרונה, בהדרכתם של החוקר מנג שנג, החוקר הפוסט-דוקטורנטי גואן מנגשואה והדוקטורנט וואנג אן מקבוצת SF10 במעבדת המפתח הממלכתית לפיזיקת פני השטח של המכון לפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים/מרכז המחקר הלאומי של בייג'ינג לפיזיקת חומר מרוכז, בשיתוף פעולה עם פרופסור סאן ג'יאטאו מהמכון הטכנולוגי של בייג'ינג, הם השתמשו בתוכנת הסימולציה של דינמיקת מצב מעורר TDAP שפותחה על ידי הצוות. נחקרים מאפייני התגובה של עירור קוואזי-חלקיקים ללייזר אולטרה-מהיר בסוג השני של מתכת למחצה וייל WTe2.

הוכח כי העירור הסלקטיבי של נושאי גלים ליד נקודת וייל נקבע על ידי סימטריה מסלולית אטומית וכלל בחירת מעבר, השונים מכלל בחירת הספין הרגיל לעירור כיראלי, וניתן לשלוט במסלול העירור שלו על ידי שינוי כיוון הקיטוב של אור מקוטב ליניארי ואנרגיית פוטון (איור 2).

עירור אסימטרי של נושאי מטען גורם לזרמי פוטו בכיוונים שונים במרחב האמיתי, דבר המשפיע על כיוון וסימטריה של החלקה הבין-שכבתית של המערכת. מאחר שהתכונות הטופולוגיות של WTe2, כגון מספר נקודות וייל ומידת ההפרדה במרחב התנע, תלויות במידה רבה בסימטריה של המערכת (איור 3), עירור אסימטרי של נושאי מטען יביא להתנהגות שונה של קווסטי-חלקיקי וייל במרחב התנע ולשינויים תואמים בתכונות הטופולוגיות של המערכת. לפיכך, המחקר מספק דיאגרמת פאזה ברורה למעברי פאזה פוטוטופולוגיים (איור 4).

התוצאות מראות שיש לשים לב לכירליות של עירור נושא גל ליד נקודת וייל, ולנתח את תכונות האורביטלים האטומיים של פונקציית הגל. ההשפעות של השניים דומות אך המנגנון שונה באופן ברור, מה שמספק בסיס תיאורטי להסבר הסינגולריות של נקודות וייל. בנוסף, שיטת החישוב שאומצה במחקר זה יכולה להבין לעומק את האינטראקציות המורכבות וההתנהגויות הדינמיות ברמה האטומית והאלקטרונית בסולם זמן מהיר במיוחד, לחשוף את המנגנונים המיקרופיזיקליים שלהן, וצפויה להיות כלי רב עוצמה למחקר עתידי על תופעות אופטיות לא לינאריות בחומרים טופולוגיים.

התוצאות פורסמו בכתב העת Nature Communications. עבודת המחקר נתמכת על ידי התוכנית הלאומית למחקר ופיתוח, הקרן הלאומית למדעי הטבע ופרויקט הפיילוט האסטרטגי (קטגוריה B) של האקדמיה הסינית למדעים.

איור 1.א. כלל בחירת הכיראליות עבור נקודות וייל עם סימן כיראליות חיובי (χ=+1) תחת אור מקוטב מעגלי; עירור סלקטיבי עקב סימטריה מסלולית אטומית בנקודת וייל של b. χ=+1 באור מקוטב מקוון

איור 2. דיאגרמת מבנה אטומי של א. Td-WTe2; ב. מבנה פסים ליד פני פרמי; (ג) מבנה פסים ותרומות יחסית של אורביטלים אטומיים המפוזרים לאורך קווים סימטריים גבוהים באזור ברילואן, חצים (1) ו-(2) מייצגים עירור קרוב או רחוק מנקודות וייל, בהתאמה; ד. הגברה של מבנה הפסים לאורך כיוון גמא-X

איור 3.ab: תנועה יחסית בין שכבות של כיוון קיטוב אור מקוטב ליניארי לאורך ציר A וציר B של הגביש, ומצב התנועה המתאים מודגם; C. השוואה בין סימולציה תיאורטית לתצפית ניסיונית; de: התפתחות הסימטריה של המערכת והמיקום, המספר ומידת ההפרדה של שתי נקודות וייל הקרובות ביותר במישור kz=0

איור 4. מעבר פאזה פוטוטופולוגי ב-Td-WTe2 עבור אנרגיית פוטון אור מקוטב ליניארית (?) ω) ודיאגרמת פאזה תלוית כיוון הקיטוב (θ).