لقد تم تحقيق تقدم في دراسة الحركة فائقة السرعة لجسيمات ويل شبه المتحكم بهاالليزر
في السنوات الأخيرة، أصبح البحث النظري والتجريبي حول الحالات الكمومية الطوبولوجية والمواد الكمومية الطوبولوجية موضوعًا هامًا في مجال فيزياء المادة المكثفة. يُعدّ الترتيب الطوبولوجي، مثله مثل التناظر، مفهومًا أساسيًا في فيزياء المادة المكثفة، باعتباره مفهومًا جديدًا لتصنيف المادة. ويرتبط الفهم العميق للطوبولوجيا بالمشكلات الأساسية في فيزياء المادة المكثفة، مثل البنية الإلكترونية الأساسية لـ...المراحل الكموميةالتحولات الطورية الكمومية وإثارة العديد من العناصر الثابتة في الأطوار الكمومية. في المواد الطوبولوجية، يلعب الاقتران بين درجات الحرية المتعددة، مثل الإلكترونات والفونونات والدوران المغزلي، دورًا حاسمًا في فهم خصائص المادة وتنظيمها. يمكن استخدام إثارة الضوء للتمييز بين التفاعلات المختلفة والتحكم في حالة المادة، ومن ثم الحصول على معلومات حول الخصائص الفيزيائية الأساسية للمادة، والتحولات الطورية الهيكلية، والحالات الكمومية الجديدة. في الوقت الحاضر، أصبحت العلاقة بين السلوك العياني للمواد الطوبولوجية، الذي يحركه مجال الضوء، وبنيتها الذرية المجهرية وخصائصها الإلكترونية، هدفًا بحثيًا.
يرتبط سلوك الاستجابة الكهروضوئية للمواد الطوبولوجية ارتباطًا وثيقًا ببنيتها الإلكترونية المجهرية. بالنسبة لأشباه المعادن الطوبولوجية، تكون إثارة الناقل قرب تقاطع النطاقات شديدة الحساسية لخصائص دالة الموجة للنظام. يمكن أن تساعدنا دراسة الظواهر الضوئية غير الخطية في أشباه المعادن الطوبولوجية على فهم الخصائص الفيزيائية للحالات المثارة للنظام بشكل أفضل، ومن المتوقع أن تُستخدم هذه التأثيرات في تصنيع...الأجهزة البصريةوتصميم الخلايا الشمسية، مما يوفر تطبيقات عملية محتملة في المستقبل. على سبيل المثال، في شبه معدن ويل، يؤدي امتصاص فوتون من الضوء المستقطب دائريًا إلى انعكاس الدوران، وللوفاء بقانون حفظ الزخم الزاوي، ستتوزع إثارة الإلكترونات على جانبي مخروط ويل بشكل غير متماثل على طول اتجاه انتشار الضوء المستقطب دائريًا، وهو ما يُسمى بقاعدة الاختيار الكيرالي (الشكل 1).
تعتمد الدراسة النظرية للظواهر البصرية غير الخطية للمواد الطوبولوجية عادةً على طريقة الجمع بين حساب خصائص الحالة الأرضية للمادة وتحليل التناظر. إلا أن هذه الطريقة تعاني من بعض العيوب: فهي تفتقر إلى المعلومات الديناميكية الآنية للناقلات المثارة في فضاء الزخم والفضاء الحقيقي، ولا يمكنها إجراء مقارنة مباشرة مع طريقة الكشف التجريبي المعتمدة على الزمن. كما لا يمكن أخذ الاقتران بين الإلكترونات والفونونات والفوتونات في الاعتبار، وهو أمر بالغ الأهمية لحدوث بعض التحولات الطورية. إضافةً إلى ذلك، لا يستطيع هذا التحليل النظري القائم على نظرية الاضطراب التعامل مع العمليات الفيزيائية تحت مجال الضوء القوي. يمكن لمحاكاة ديناميكيات الجزيئات الوظيفية الكثافة المعتمدة على الزمن (TDDFT-MD) القائمة على المبادئ الأولية حل المشكلات المذكورة أعلاه.
مؤخرًا، وتحت إشراف الباحث منغ شنغ، وباحث ما بعد الدكتوراه غوان منغ شيوي، وطالب الدكتوراه وانغ إن من مجموعة SF10 التابعة لمختبر الدولة الرئيسي لفيزياء الأسطح التابع لمعهد الفيزياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم/المركز الوطني لأبحاث فيزياء المواد المركزة في بكين، وبالتعاون مع البروفيسور سون جياتاو من معهد بكين للتكنولوجيا، استخدموا برنامج محاكاة ديناميكيات الحالة المثارة TDAP الذي طوروه بأنفسهم. ودُرست خصائص استجابة إثارة شبه الجسيمات لليزر فائق السرعة في النوع الثاني من WTe2 شبه المعدني من نوع وايل.
لقد ثبت أن الإثارة الانتقائية للناقلات بالقرب من نقطة ويل يتم تحديدها من خلال تناسق المدار الذري وقاعدة اختيار الانتقال، والتي تختلف عن قاعدة اختيار الدوران المعتادة للإثارة الكيرالية، ويمكن التحكم في مسار إثارتها عن طريق تغيير اتجاه استقطاب الضوء المستقطب خطيًا وطاقة الفوتون (الشكل 2).
تُحفّز الإثارة غير المتماثلة للناقلات تيارات ضوئية باتجاهات مختلفة في الفضاء الحقيقي، مما يؤثر على اتجاه وتماثل انزلاق الطبقات البينية للنظام. ونظرًا لأن الخصائص الطوبولوجية لـ WTe2، مثل عدد نقاط ويل ودرجة الانفصال في فضاء الزخم، تعتمد بشكل كبير على تماثل النظام (الشكل 3)، فإن الإثارة غير المتماثلة للناقلات ستؤدي إلى سلوك مختلف لجسيمات ويل شبه البلورية في فضاء الزخم، وما يقابلها من تغيرات في الخصائص الطوبولوجية للنظام. وبالتالي، تُقدّم الدراسة مخططًا طوريًا واضحًا للتحولات الطورية الضوئية الطوبولوجية (الشكل 4).
تُظهر النتائج ضرورة الاهتمام بتأثير كيرالية إثارة الناقلات قرب نقطة ويل، وتحليل خصائص المدارات الذرية لدالة الموجة. تتشابه تأثيرات الاثنين، لكن الآلية تختلف اختلافًا واضحًا، مما يوفر أساسًا نظريًا لتفسير تفرد نقاط ويل. إضافةً إلى ذلك، يُمكن للطريقة الحسابية المُستخدمة في هذه الدراسة فهم التفاعلات المعقدة والسلوكيات الديناميكية بعمق على المستويين الذري والإلكتروني في نطاق زمني فائق السرعة، وكشف آلياتها الميكروفيزيائية، ويُتوقع أن تُمثل أداةً فعّالة للأبحاث المستقبلية حول الظواهر البصرية غير الخطية في المواد الطوبولوجية.
نُشرت النتائج في مجلة Nature Communications. يدعم هذا البحث 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 وايل ذات إشارة الكيرالية الموجبة (χ=+1) تحت ضوء مستقطب دائريًا؛ الإثارة الانتقائية الناتجة عن تماثل المدار الذري عند نقطة وايل (ب). χ=+1 في ضوء مستقطب متصل.
الشكل ٢. مخطط البنية الذرية لـ أ، Td-WTe2؛ ب. بنية النطاق بالقرب من سطح فيرمي؛ ج. بنية النطاق والمساهمات النسبية للمدارات الذرية الموزعة على طول خطوط عالية التناظر في منطقة بريلوين، ويمثل السهمان (١) و(٢) الإثارة بالقرب من نقاط ويل أو بعيدًا عنها، على التوالي؛ د. تضخيم بنية النطاق على طول اتجاه جاما-إكس.
الشكل 3.أ: يوضح الشكل 3.ب الحركة النسبية بين الطبقات لاتجاه استقطاب الضوء المستقطب خطيًا على طول المحورين A وB للبلورة، ونمط الحركة المقابل؛ ج. مقارنة بين المحاكاة النظرية والملاحظة التجريبية؛ د: تطور تماثل النظام وموقع وعدد ودرجة انفصال أقرب نقطتي ويل في المستوى kz=0.
الشكل 4. انتقال الطور الضوئي الطوبولوجي في Td-WTe2 لطاقة فوتون الضوء المستقطب خطيًا (?) ω) ومخطط الطور المعتمد على اتجاه الاستقطاب (θ)
وقت النشر: ٢٥ سبتمبر ٢٠٢٣