חלה התקדמות במחקר של תנועה מהירה במיוחד של חלקיקי וייל הנשלטים על ידי לייזרים

חלה התקדמות במחקר של תנועה מהירה במיוחד של חלקיקי ווייל הנשלטים על ידילייזרים

בשנים האחרונות הפך המחקר התיאורטי והניסיוני על מצבים קוונטיים טופולוגיים וחומרים קוונטיים טופולוגיים לנושא חם בתחום הפיזיקה של החומר המעובה. כמושג חדש של סיווג חומר, סדר טופולוגי, כמו סימטריה, הוא מושג בסיסי בפיזיקת החומר המעובה. הבנה מעמיקה של טופולוגיה קשורה לבעיות הבסיסיות בפיזיקת החומר המעובה, כמו המבנה האלקטרוני הבסיסי שלשלבים קוונטיים, מעברי פאזה קוונטיים ועירור של אלמנטים מקובעים רבים בשלבים קוונטיים. בחומרים טופולוגיים, לצימוד בין דרגות חופש רבות, כמו אלקטרונים, פונונים וספין, תפקיד מכריע בהבנת תכונות החומר ובוויסותן. ניתן להשתמש בעירור אור כדי להבחין בין אינטראקציות שונות ולתפעל את מצב החומר, ולאחר מכן ניתן לקבל מידע על התכונות הפיזיקליות הבסיסיות של החומר, מעברי פאזה מבניים ומצבים קוונטיים חדשים. כיום, הקשר בין התנהגות מקרוסקופית של חומרים טופולוגיים המונעים על ידי שדה אור לבין המבנה האטומי המיקרוסקופי שלהם ותכונותיהם האלקטרוניות הפך למטרה מחקרית.

התנהגות התגובה הפוטואלקטרית של חומרים טופולוגיים קשורה קשר הדוק למבנה האלקטרוני המיקרוסקופי שלו. עבור מתכות למחצה טופולוגיות, עירור הנשא ליד צומת הרצועה רגיש מאוד למאפייני פונקציית הגל של המערכת. חקר תופעות אופטיות לא-לינאריות במתכות למחצה טופולוגיות יכול לעזור לנו להבין טוב יותר את התכונות הפיזיקליות של המצבים הנרגשים של המערכת, וצפוי שניתן יהיה להשתמש בהשפעות אלו בייצור שלמכשירים אופטייםותכנון תאים סולאריים, המספקים יישומים מעשיים פוטנציאליים בעתיד. לדוגמה, בחצי מתכת של Weyl, קליטת פוטון של אור מקוטב מעגלי תגרום להתהפכות הספין, וכדי לעמוד בשימור התנע הזוויתי, עירור האלקטרונים משני צידי חרוט Weyl יתפזר בצורה א-סימטרית לאורך הכיוון של התפשטות האור המקוטב בצורה מעגלית, אשר נקרא כלל הבחירה הכיראלית (איור 1).

המחקר התיאורטי של תופעות אופטיות לא-לינאריות של חומרים טופולוגיים מאמץ בדרך כלל את השיטה של ​​שילוב חישוב מאפייני מצב הקרקע של החומר וניתוח סימטריה. עם זאת, לשיטה זו יש כמה פגמים: היא חסרה מידע דינמי בזמן אמת של נשאים נרגשים במרחב המומנטום ובמרחב האמיתי, והיא אינה יכולה לבסס השוואה ישירה לשיטת הזיהוי הניסיוני שנפתרה בזמן. לא ניתן להתייחס לצימוד בין אלקטרוני-פונונים לפוטונים-פונונים. וזה חיוני להתרחשות מעברי פאזה מסוימים. בנוסף, ניתוח תיאורטי זה המבוסס על תיאוריית ההפרעות אינו יכול להתמודד עם התהליכים הפיזיקליים תחת שדה האור החזק. הדמיית דינמיקה מולקולרית פונקציונלית צפיפות תלוית זמן (TDDFT-MD) המבוססת על עקרונות ראשונים יכולה לפתור את הבעיות לעיל.

לאחרונה, בהדרכת החוקרת מנג שנג, החוקרת הפוסט-דוקטורט גואן מנגשו והדוקטורנט וואנג אן מקבוצת SF10 של מעבדת המפתח של המדינה לפיסיקת פני השטח של המכון לפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים/מרכז המחקר הלאומי לחומר מרוכז בבייג'ינג. פיזיקה, בשיתוף פרופסור Sun Jiatao מהמכון הטכנולוגי של בייג'ינג, הם השתמשו בתוכנת הדמיית דינמיקה של מצב נרגש TDAP שפותחה בעצמה. מאפייני התגובה של עירור quastiparticle ללייזר מהיר במיוחד בסוג השני של Weyl חצי מתכת WTe2 נחקרים.

הוכח שהעירור הסלקטיבי של נשאים ליד נקודת ווייל נקבע על ידי סימטריית מסלול אטומי וכלל בחירת מעבר, השונה מכלל בחירת הספין הרגיל לעירור כיראלי, וניתן לשלוט בנתיב העירור שלו על ידי שינוי כיוון הקיטוב. של אור מקוטב ליניארי ואנרגיית פוטון (איור 2).

עירור א-סימטרי של נשאים משרה זרמי פוטו בכיוונים שונים במרחב האמיתי, מה שמשפיע על הכיוון והסימטריה של החלקה בין השכבות של המערכת. מכיוון שהמאפיינים הטופולוגיים של WTe2, כמו מספר נקודות ה-Weyl ומידת ההפרדה במרחב המומנטום, תלויות מאוד בסימטריה של המערכת (איור 3), עירור א-סימטרי של נשאים יביא להתנהגות שונה של Weyl קווסטי-חלקיקים במרחב התנע ושינויים מתאימים בתכונות הטופולוגיות של המערכת. לפיכך, המחקר מספק דיאגרמת פאזה ברורה למעברי פאזה פוטוטופולוגיים (איור 4).

התוצאות מראות שיש לשים לב לכיראליות של עירור נושא ליד נקודת וייל, ולנתח את תכונות המסלול האטומי של תפקוד הגל. ההשפעות של השניים דומות אך ברור שהמנגנון שונה, מה שמספק בסיס תיאורטי להסבר הייחודיות של נקודות וייל. בנוסף, השיטה החישובית שאומצה במחקר זה יכולה להבין לעומק את האינטראקציות המורכבות וההתנהגויות הדינמיות ברמה האטומית והאלקטרונית בסולם זמן מהיר במיוחד, לחשוף את המנגנונים המיקרופיזיים שלהם, וצפויה להיות כלי רב עוצמה למחקר עתידי בנושא תופעות אופטיות לא ליניאריות בחומרים טופולוגיים.

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

איור 1.א. כלל בחירת הכירליות עבור נקודות Weyl עם סימן כיראליות חיובי (χ=+1) באור מקוטב מעגלי; עירור סלקטיבי עקב סימטריית מסלול אטומי בנקודת Weyl של b. χ=+1 באור מקוטב מקוון

תְאֵנָה. 2. דיאגרמת מבנה אטומי של a, Td-WTe2; ב. מבנה להקה ליד משטח פרמי; (ג) מבנה הרצועה והתרומות היחסיות של אורביטלים אטומיים המופצים לאורך קווים סימטריים גבוהים באזור ברילואין, חיצים (1) ו-(2) מייצגים עירור קרוב או רחוק מנקודות וויל, בהתאמה; ד. הגברה של מבנה הלהקה לאורך כיוון Gamma-X

איור 3.ab: התנועה הבין-שכבתית היחסית של כיוון קיטוב האור המקוטב ליניארי לאורך ציר A וציר B של הגביש, ומצב התנועה המתאים מומחש; ג. השוואה בין סימולציה תיאורטית לתצפית ניסיונית; דה: התפתחות סימטריה של המערכת והמיקום, המספר ומידת ההפרדה של שתי נקודות הוויל הקרובות ביותר במישור kz=0

תְאֵנָה. 4. מעבר פאזה פוטוטופולוגי ב-Td-WTe2 לאנרגיית פוטון אור מקוטבת ליניארית (?) ω) ודיאגרמת פאזה תלוית כיוון קיטוב (θ).