لقد تم إحراز تقدم في دراسة الحركة فائقة السرعة لجزيئات ويل شبهية التي يتم التحكم فيها بواسطة الليزر.

لقد تم إحراز تقدم في دراسة الحركة فائقة السرعة لجزيئات ويل شبهية التي يتم التحكم فيها بواسطةالليزر

في السنوات الأخيرة، أصبح البحث النظري والتجريبي حول الحالات الكمومية الطوبولوجية والمواد الكمومية الطوبولوجية موضوعًا ساخنًا في مجال فيزياء المادة المكثفة. وباعتبارها مفهومًا جديدًا لتصنيف المادة، فإن الترتيب الطوبولوجي، كالتناظر، يُعد مفهومًا أساسيًا في فيزياء المادة المكثفة. ويرتبط الفهم العميق للطوبولوجيا بالمشكلات الأساسية في فيزياء المادة المكثفة، مثل البنية الإلكترونية الأساسية لـالأطوار الكموميةتُعدّ التحولات الطورية الكمومية وإثارة العديد من العناصر الثابتة في الأطوار الكمومية من أهمّ العوامل المؤثرة في المواد الطوبولوجية. ففي هذه المواد، يلعب التفاعل بين درجات الحرية المتعددة، كالإلكترونات والفونونات واللف المغزلي، دورًا حاسمًا في فهم خصائص المادة والتحكم بها. ويمكن استخدام الإثارة الضوئية للتمييز بين التفاعلات المختلفة والتأثير على حالة المادة، ومن ثمّ الحصول على معلومات حول الخصائص الفيزيائية الأساسية للمادة، والتحولات الطورية البنيوية، والحالات الكمومية الجديدة. وفي الوقت الراهن، أصبحت العلاقة بين السلوك العياني للمواد الطوبولوجية المُحفّزة بواسطة المجال الضوئي وبنيتها الذرية المجهرية وخصائصها الإلكترونية هدفًا بحثيًا رئيسيًا.

يرتبط سلوك الاستجابة الكهروضوئية للمواد الطوبولوجية ارتباطًا وثيقًا ببنيتها الإلكترونية المجهرية. ففي أشباه المعادن الطوبولوجية، يكون استثارة حاملات الشحنة بالقرب من تقاطع نطاقات الطاقة شديدة الحساسية لخصائص الدالة الموجية للنظام. ويمكن أن تساعدنا دراسة الظواهر البصرية غير الخطية في أشباه المعادن الطوبولوجية على فهم أفضل للخصائص الفيزيائية للحالات المثارة في النظام، ومن المتوقع أن تُستخدم هذه التأثيرات في تصنيع...الأجهزة البصريةوتصميم الخلايا الشمسية، مما يوفر تطبيقات عملية محتملة في المستقبل. على سبيل المثال، في شبه فلز فايل، سيؤدي امتصاص فوتون من الضوء المستقطب دائريًا إلى انعكاس الدوران، ولتحقيق حفظ الزخم الزاوي، سيتم توزيع إثارة الإلكترون على جانبي مخروط فايل بشكل غير متماثل على طول اتجاه انتشار الضوء المستقطب دائريًا، وهو ما يسمى قاعدة الاختيار الكيرالي (الشكل 1).

تعتمد الدراسة النظرية للظواهر البصرية غير الخطية للمواد الطوبولوجية عادةً على الجمع بين حساب خصائص الحالة الأرضية للمادة وتحليل التناظر. إلا أن هذه الطريقة تعاني من بعض العيوب، فهي تفتقر إلى المعلومات الديناميكية الآنية لحاملات الشحنة المثارة في فضاء الزخم والفضاء الحقيقي، ولا يمكنها إجراء مقارنة مباشرة مع طريقة الكشف التجريبي المعتمدة على الزمن. كما أنها لا تأخذ في الحسبان اقتران الإلكترون-فونون والفوتون-فونون، وهو أمر بالغ الأهمية لحدوث بعض التحولات الطورية. إضافةً إلى ذلك، لا يستطيع هذا التحليل النظري القائم على نظرية الاضطراب التعامل مع العمليات الفيزيائية في ظل مجال ضوئي قوي. في المقابل، يمكن لمحاكاة ديناميكيات الجزيئات الوظيفية المعتمدة على الزمن (TDDFT-MD)، والمبنية على المبادئ الأساسية، حل المشكلات المذكورة أعلاه.

في الآونة الأخيرة، وتحت إشراف الباحث منغ شنغ، والباحث ما بعد الدكتوراه غوان منغشيو، وطالب الدكتوراه وانغ إن من مجموعة SF10 التابعة للمختبر الرئيسي الحكومي لفيزياء الأسطح بمعهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم/مركز بكين الوطني لأبحاث فيزياء المادة المركزة، وبالتعاون مع البروفيسور سون جياتاو من معهد بكين للتكنولوجيا، استخدم الباحثون برنامج محاكاة ديناميكيات الحالة المثارة TDAP، الذي طُوّر ذاتيًا، لدراسة خصائص استجابة إثارة الجسيمات شبهية لليزر فائق السرعة في النوع الثاني من أشباه المعادن من نوع وايل WTe2.

لقد ثبت أن الإثارة الانتقائية للحاملات بالقرب من نقطة ويل يتم تحديدها بواسطة تناظر المدار الذري وقاعدة اختيار الانتقال، وهو ما يختلف عن قاعدة اختيار الدوران المعتادة للإثارة الكيرالية، ويمكن التحكم في مسار الإثارة عن طريق تغيير اتجاه استقطاب الضوء المستقطب خطيًا وطاقة الفوتون (الشكل 2).

يُحفز الإثارة غير المتناظرة لحاملات الشحنة تيارات ضوئية في اتجاهات مختلفة في الفضاء الحقيقي، مما يؤثر على اتجاه وتناظر الانزلاق بين الطبقات في النظام. ونظرًا لأن الخصائص الطوبولوجية لـ WTe2، مثل عدد نقاط فايل ودرجة الفصل في فضاء الزخم، تعتمد اعتمادًا كبيرًا على تناظر النظام (الشكل 3)، فإن الإثارة غير المتناظرة لحاملات الشحنة ستؤدي إلى سلوك مختلف لجسيمات فايل شبهية في فضاء الزخم، وما يترتب على ذلك من تغييرات في الخصائص الطوبولوجية للنظام. وبذلك، تُقدم هذه الدراسة مخططًا طوريًا واضحًا للانتقالات الطورية الضوئية الطوبولوجية (الشكل 4).

تُظهر النتائج ضرورة الانتباه إلى كيرالية إثارة حاملات الشحنة بالقرب من نقطة فايل، وتحليل خصائص المدارات الذرية للدالة الموجية. يتشابه تأثير كليهما، لكن الآلية تختلف اختلافًا واضحًا، مما يوفر أساسًا نظريًا لتفسير تفرد نقاط فايل. إضافةً إلى ذلك، تُتيح الطريقة الحسابية المُعتمدة في هذه الدراسة فهمًا عميقًا للتفاعلات المعقدة والسلوكيات الديناميكية على المستويين الذري والإلكتروني في نطاق زمني فائق السرعة، والكشف عن آلياتها الفيزيائية الدقيقة، ومن المتوقع أن تكون أداةً فعّالة للبحوث المستقبلية حول الظواهر البصرية غير الخطية في المواد الطوبولوجية.

نُشرت النتائج في مجلة Nature Communications. وقد حظي هذا البحث بدعم من الخطة الوطنية الرئيسية للبحث والتطوير، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية، والمشروع التجريبي الاستراتيجي (الفئة ب) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم.

الشكل 1.أ. قاعدة اختيار الكيرالية لنقاط فايل ذات إشارة كيرالية موجبة (χ=+1) تحت ضوء مستقطب دائريًا؛ الإثارة الانتقائية الناتجة عن تناظر المدار الذري عند نقطة فايل في الشكل 1.ب. χ=+1 في ضوء مستقطب مباشر

الشكل 2. مخطط التركيب الذري لـ (أ) Td-WTe2؛ (ب) بنية النطاقات بالقرب من سطح فيرمي؛ (ج) بنية النطاقات والمساهمات النسبية للمدارات الذرية الموزعة على طول خطوط التناظر العالي في منطقة بريلوين، حيث يمثل السهمان (1) و(2) الإثارة بالقرب من نقاط فايل أو بعيدًا عنها، على التوالي؛ (د) تكبير بنية النطاقات على طول اتجاه غاما-إكس

الشكل 3.أ، ب: يوضح الشكل الحركة النسبية بين الطبقات لاتجاه استقطاب الضوء المستقطب خطيًا على طول المحورين أ و ب للبلورة، ونمط الحركة المقابل؛ ج. مقارنة بين المحاكاة النظرية والملاحظة التجريبية؛ د، هـ: تطور تناظر النظام وموقع وعدد ودرجة فصل أقرب نقطتين من نقاط فايل في المستوى kz=0

الشكل 4. مخطط طور انتقال الطور الضوئي الطوبولوجي في Td-WTe2 لضوء مستقطب خطيًا، يعتمد على طاقة الفوتون (ω) واتجاه الاستقطاب (θ).