تم إحراز تقدم في دراسة الحركة فائقة السرعة لأشباه جسيمات فايل التي يتم التحكم فيها بواسطة الليزر

تم إحراز تقدم في دراسة الحركة فائقة السرعة لأشباه جسيمات فايل التي يتم التحكم فيهاالليزر

في السنوات الأخيرة، أصبح البحث النظري والتجريبي حول الحالات الكمومية الطوبولوجية والمواد الكمومية الطوبولوجية موضوعًا ساخنًا في مجال فيزياء المادة المكثفة. كمفهوم جديد لتصنيف المادة، يعد الترتيب الطوبولوجي، مثل التناظر، مفهومًا أساسيًا في فيزياء المادة المكثفة. يرتبط الفهم العميق للطوبولوجيا بالمشاكل الأساسية في فيزياء المادة المكثفة، مثل البنية الإلكترونية الأساسيةالمراحل الكموميةانتقالات الطور الكمي وإثارة العديد من العناصر المثبتة في الأطوار الكمومية. في المواد الطوبولوجية، يلعب الاقتران بين درجات عديدة من الحرية، مثل الإلكترونات والفونونات والسبين، دورًا حاسمًا في فهم وتنظيم خصائص المواد. يمكن استخدام الإثارة الضوئية للتمييز بين التفاعلات المختلفة ومعالجة حالة المادة، ومن ثم يمكن الحصول على معلومات حول الخصائص الفيزيائية الأساسية للمادة، وانتقالات الطور الهيكلي، والحالات الكمومية الجديدة. في الوقت الحاضر، أصبحت العلاقة بين السلوك العياني للمواد الطوبولوجية المدفوعة بالمجال الضوئي وبنيتها الذرية المجهرية وخصائصها الإلكترونية هدفًا بحثيًا.

يرتبط سلوك الاستجابة الكهروضوئية للمواد الطوبولوجية ارتباطًا وثيقًا ببنيتها الإلكترونية المجهرية. بالنسبة لأشباه المعادن الطوبولوجية، تكون إثارة الموجة الحاملة بالقرب من تقاطع النطاق حساسة للغاية لخصائص الدالة الموجية للنظام. يمكن أن تساعدنا دراسة الظواهر البصرية غير الخطية في أشباه المعادن الطوبولوجية على فهم الخصائص الفيزيائية للحالات المثارة للنظام بشكل أفضل، ومن المتوقع أن يتم استخدام هذه التأثيرات في تصنيعالأجهزة البصريةوتصميم الخلايا الشمسية، مما يوفر تطبيقات عملية محتملة في المستقبل. على سبيل المثال، في شبه معدن ويل، فإن امتصاص فوتون من الضوء المستقطب دائريًا سيؤدي إلى انقلاب الدوران، ومن أجل تلبية الحفاظ على الزخم الزاوي، سيتم توزيع إثارة الإلكترون على جانبي مخروط ويل بشكل غير متماثل على طول اتجاه انتشار الضوء المستقطب دائريًا، والذي يسمى بقاعدة الاختيار اللولبي (الشكل 1).

عادة ما تعتمد الدراسة النظرية للظواهر البصرية غير الخطية للمواد الطوبولوجية طريقة الجمع بين حساب خصائص الحالة الأرضية للمادة وتحليل التماثل. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة بها بعض العيوب: فهي تفتقر إلى المعلومات الديناميكية في الوقت الحقيقي للموجات الحاملة المثارة في مساحة الزخم والفضاء الحقيقي، ولا يمكنها إجراء مقارنة مباشرة مع طريقة الكشف التجريبية التي تم حلها بالوقت. لا يمكن النظر في الاقتران بين الإلكترون-فونون والفوتون-فونون. وهذا أمر بالغ الأهمية لحدوث تحولات طورية معينة. بالإضافة إلى ذلك، فإن هذا التحليل النظري المبني على نظرية الاضطراب لا يمكنه التعامل مع العمليات الفيزيائية تحت مجال الضوء القوي. يمكن لمحاكاة الديناميكيات الجزيئية الوظيفية للكثافة المعتمدة على الوقت (TDDFT-MD) بناءً على المبادئ الأولى أن تحل المشكلات المذكورة أعلاه.

مؤخرًا، بتوجيه من الباحث منغ شنغ، وباحث ما بعد الدكتوراه غوان مينغ شيويه وطالب الدكتوراه وانغ إن من مجموعة SF10 في مختبر الدولة الرئيسي للفيزياء السطحية التابع لمعهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم / مركز بكين الوطني لأبحاث المواد المركزة الفيزياء، بالتعاون مع البروفيسور صن جياتاو من معهد بكين للتكنولوجيا، استخدموا برنامج محاكاة ديناميكيات الحالة المثارة TDAP الذي تم تطويره ذاتيًا. تم دراسة خصائص الاستجابة لإثارة الجسيمات شبه الدقيقة لليزر فائق السرعة في النوع الثاني من Weyl شبه المعدني WTe2.

لقد ثبت أن الإثارة الانتقائية للموجات الحاملة بالقرب من نقطة فايل يتم تحديدها من خلال التماثل المداري الذري وقاعدة اختيار الانتقال، والتي تختلف عن قاعدة اختيار الدوران المعتادة للإثارة اللولبية، ويمكن التحكم في مسار الإثارة الخاص بها عن طريق تغيير اتجاه الاستقطاب للضوء المستقطب خطيًا وطاقة الفوتون (الشكل 2).

يؤدي الإثارة غير المتماثلة للموجات الحاملة إلى تحفيز التيارات الضوئية في اتجاهات مختلفة في الفضاء الحقيقي، مما يؤثر على اتجاه وتماثل انزلاق الطبقة البينية للنظام. نظرًا لأن الخصائص الطوبولوجية لـ WTe2، مثل عدد نقاط Weyl ودرجة الانفصال في مساحة الزخم، تعتمد بشكل كبير على تماثل النظام (الشكل 3)، فإن الإثارة غير المتماثلة للموجات الحاملة ستؤدي إلى سلوك مختلف لـ Weyl الجسيمات الكوستيبية في فضاء الزخم والتغيرات المقابلة في الخصائص الطوبولوجية للنظام. وبالتالي، توفر الدراسة مخططًا واضحًا للمرحلة للتحولات الطورية الضوئية (الشكل 4).

أظهرت النتائج أنه ينبغي الاهتمام بإثارة الموجة الحاملة بالقرب من نقطة فايل، ويجب تحليل الخصائص المدارية الذرية للدالة الموجية. تأثيرات الاثنين متشابهة ولكن من الواضح أن الآلية مختلفة، مما يوفر أساسًا نظريًا لشرح تفرد نقاط فايل. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للطريقة الحسابية المعتمدة في هذه الدراسة أن تفهم بعمق التفاعلات المعقدة والسلوكيات الديناميكية على المستويين الذري والإلكتروني في نطاق زمني فائق السرعة، وتكشف عن آلياتها الفيزيائية الدقيقة، ومن المتوقع أن تكون أداة قوية للبحث المستقبلي حول الظواهر البصرية غير الخطية في المواد الطوبولوجية.

النتائج موجودة في مجلة Nature Communications. يتم دعم العمل البحثي من قبل الخطة الوطنية الرئيسية للبحث والتطوير، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية، والمشروع التجريبي الاستراتيجي (الفئة ب) التابع للأكاديمية الصينية للعلوم.

الشكل 1.أ. قاعدة اختيار chirality لنقاط Weyl ذات علامة chirality الإيجابية ( χ = +1) تحت الضوء المستقطب دائريًا ؛ الإثارة الانتقائية بسبب التماثل المداري الذري عند نقطة فايل ب. χ=+1 في الضوء المستقطب عبر الإنترنت

تين. 2. مخطط التركيب الذري لـ Td-WTe2؛ ب. بنية الشريط بالقرب من سطح فيرمي؛ ( ج ) هيكل النطاق والمساهمات النسبية للمدارات الذرية الموزعة على طول خطوط متماثلة عالية في منطقة Brillouin، يمثل السهمان (1) و (2) الإثارة بالقرب من نقاط Weyl أو بعيدًا عنها، على التوالي؛ د. تضخيم بنية النطاق على طول اتجاه Gamma-X

الشكل 3.ab: تم توضيح حركة الطبقة البينية النسبية لاتجاه استقطاب الضوء المستقطب خطيًا على طول المحور A والمحور B للبلورة، ووضع الحركة المقابل؛ ج. المقارنة بين المحاكاة النظرية والملاحظة التجريبية؛ de: تطور التماثل للنظام والموضع وعدد ودرجة الفصل بين أقرب نقطتين Weyl في المستوى kz=0

تين. 4. انتقال المرحلة الضوئية في Td-WTe2 لطاقة الفوتون الضوئية المستقطبة خطيًا (؟) ω) ومخطط الطور المعتمد على اتجاه الاستقطاب (θ)