התקדמות נערכה במחקר על תנועה אולטרה -פסטית של חלקיקי וייל שנשלטים על ידי לייזרים

התקדמות נערכה במחקר על תנועה אולטרה -גרפסטית של חלקיקי וייל שנשלטים על ידילייזרים

בשנים האחרונות המחקר התיאורטי והניסיוני על מצבי קוונטום טופולוגיים וחומרים קוונטיים טופולוגיים הפך לנושא חם בתחום פיזיקה של חומר מרוכז. כמושג חדש של סיווג חומר, הסדר הטופולוגי, כמו סימטריה, הוא מושג בסיסי בפיזיקה של חומר מרוכז. הבנה עמוקה של הטופולוגיה קשורה לבעיות הבסיסיות בפיזיקה של חומר מרוכז, כמו המבנה האלקטרוני הבסיסי שלשלבים קוונטיים, מעברים שלב קוונטי ועירור של אלמנטים רבים ללא תנועה בשלבים קוונטיים. בחומרים טופולוגיים, הצימוד בין דרגות חופש רבות, כמו אלקטרונים, פונונים וסחרור, ממלא תפקיד מכריע בהבנה ובוויסות תכונות החומרים. ניתן להשתמש בעירור קל כדי להבחין בין אינטראקציות שונות ולתפעל את מצב החומר, ומידע על התכונות הפיזיקליות הבסיסיות של החומר, מעברי פאזה מבניים ומצבי קוונטים חדשים ניתן להשיג. נכון לעכשיו, הקשר בין התנהגות מקרוסקופית של חומרים טופולוגיים המונעים על ידי שדה אור לבין המבנה האטומי המיקרוסקופי שלהם ותכונות אלקטרוניות שלהם הפך למטרה מחקרית.

התנהגות התגובה הפוטואלקטרית של חומרים טופולוגיים קשורה קשר הדוק למבנה האלקטרוני המיקרוסקופי שלה. עבור מתכות חצי טופולוגיות, עירור המנשא בסמוך לצומת הלהקה רגיש מאוד למאפייני פונקציית הגל של המערכת. המחקר של תופעות אופטיות לא לינאריות במתכות חצי טופולוגיות יכול לעזור לנו להבין טוב יותר את התכונות הפיזיות של המצבים הנרגשים של המערכת, וצפוי שניתן להשתמש בהשפעות אלה בייצור שלמכשירים אופטייםועיצוב תאים סולאריים, המספקים יישומים מעשיים פוטנציאליים בעתיד. לדוגמה, בחצי מתכת של ווייל, ספיגת פוטון של אור מקוטב מעגלי תגרום לסיבוב להתפוך, וכדי לעמוד בשימור המומנטום הזוויתי, עירור האלקטרונים משני צידי חרוט הוויל יופץ באופן אסימטרי לאורך כיוון של הפצת האור המקטולת במעגלה, שנקרא כלל בחירת צ'ירל.

המחקר התיאורטי של תופעות אופטיות לא לינאריות של חומרים טופולוגיים מאמצים בדרך כלל את השיטה לשילוב חישוב תכונות מצב קרקע חומר וניתוח סימטריה. עם זאת, לשיטה זו יש כמה פגמים: היא חסרה את המידע הדינאמי בזמן אמת של נשאים נרגשים במרחב המומנטום ובמרחב האמיתי, והיא אינה יכולה לבסס השוואה ישירה לשיטת הגילוי הניסיונית שנפתרה בזמן. לא ניתן לשקול את הצימוד בין פונונים אלקטרונים לפונון פונונים. וזה חיוני למעברים שלב מסוימים להתרחש. בנוסף, ניתוח תיאורטי זה המבוסס על תיאוריית הפרעות אינו יכול להתמודד עם התהליכים הפיזיים תחת שדה האור החזק. סימולציה של דינמיקה מולקולרית (TDDFT-MD) התלויה בזמן הצפיפות (TDDFT-MD) המבוססת על עקרונות ראשונים יכולה לפתור את הבעיות לעיל.

לאחרונה, בהנחייתו של החוקר מנג שנג, חוקר הפוסט-דוקטורט גואן מנגקסו ותלמיד הדוקטורט וואנג אן מקבוצת SF10 של מעבדת המפתח הממלכתית של פיזיקה פני השטח של המכון לפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים/בייאג'ינג את המרכז בבייג'ינג לריכוז של פיזיקה של שיתוף פעולה עם פרופסור סאן. תוכנת סימולציה TDAP. נבדקים מאפייני התגובה של עירור Quastiparticle ללייזר Ultrafast בסוג השני של WTE2 חצי-מטאל WTE2.

הוכח כי העירור הסלקטיבי של נשאים ליד נקודת הוויל נקבע על ידי כלל סימטריה מסלולית אטומית ומכלול המעבר, השונה מכלל בחירת הסיבוב הרגיל לצורך עירור כיראלי, וניתן לשלוט בנתיב העירור שלו על ידי שינוי כיוון הקיטוב של אור מקוטב ליניארי ואנרגיית פוטון (איור 2).

העירור הא -סימטרי של המובילים גורם לזרמי צילום בכיוונים שונים במרחב האמיתי, המשפיע על הכיוון והסימטריה של החלקה הבין -שכבתית של המערכת. מכיוון שהתכונות הטופולוגיות של WTE2, כמו מספר נקודות הוויל ומידת ההפרדה במרחב המומנטום, תלויות מאוד בסימטריה של המערכת (איור 3), העירור הא -סימטרי של נשאים יביא להתנהגות שונה של חלקיקי ווייל במומנטום ושינויים מתאימים בתכונות הטופולוגיות של המערכת. לפיכך, המחקר מספק תרשים שלב ברור למעברים שלב פוטוטופולוגי (איור 4).

התוצאות מראות כי יש לשים לב לכיריאליות של עירור הספק ליד נקודת ווייל, ויש לנתח את תכונות האורביטל האטומיות של פונקציית הגל. ההשפעות של השניים דומות אך כמובן שהמנגנון שונה, המספק בסיס תיאורטי להסבר הייחודיות של נקודות ווייל. בנוסף, שיטת החישוב שאומצה במחקר זה יכולה להבין עמוק את האינטראקציות המורכבות ואת ההתנהגויות הדינמיות ברמות האטומי והאלקטרוני בסולם זמן מהיר במיוחד, לחשוף את המנגנונים המיקרופיזיים שלהם, וצפויה להיות כלי רב עוצמה למחקר עתידי על תופעות אופטיות לא לינאריות בחומרים טופולוגיים.

התוצאות הן בכתב העת Nature Communications. עבודת המחקר נתמכת על ידי תוכנית המחקר והפיתוח הלאומי למפתח, הקרן הלאומית למדע הטבע ופרויקט הפיילוט האסטרטגי (קטגוריה ב ') של האקדמיה הסינית למדעים.

איור 1.A. כלל בחירת הכיריות לנקודות Weyl עם סימן כיראליות חיובי (χ =+1) תחת אור מקוטב במעגל; עירור סלקטיבי עקב סימטריה מסלולית אטומית בנקודת הוויל של b. χ =+1 באור מקוטב מקוון

תְאֵנָה. 2. תרשים מבנה אטומי של A, TD-WTE2; ב. מבנה להקה בסמוך למשטח פרמי; (ג) מבנה להקה ותרומות יחסית של אורביטלים אטומיים המופצים לאורך קווים סימטריים גבוהים באזור ברילואין, חצים (1) ו- (2) מייצגים עירור קרוב או רחוק מנקודות ווייל, בהתאמה; ד. הגברה של מבנה הלהקה בכיוון הגמא-X

איור. ג. השוואה בין סימולציה תיאורטית לבין תצפית ניסיונית; DE: התפתחות סימטריה של המערכת והמיקום, מספר ומידת ההפרדה של שתי נקודות ה- WEYL הקרובות ביותר במטוס KZ = 0

תְאֵנָה. 4. מעבר שלב פוטוטופולוגי ב- TD-WTE2 לאנרגיה פוטון אור מקוטב לינארית (?) Ω) וכיוון קיטוב (θ) תרשים שלב תלוי