Weil kuazi parçacıklarının ultra hızlı hareketinin incelenmesinde ilerleme kaydedildilazerler
Son yıllarda, topolojik kuantum durumları ve topolojik kuantum malzemeleri üzerine teorik ve deneysel araştırmalar, yoğun madde fiziği alanında önemli bir konu haline gelmiştir. Madde sınıflandırmasının yeni bir kavramı olan topolojik düzen, tıpkı simetri gibi, yoğun madde fiziğinde temel bir kavramdır. Topolojiye dair derin bir anlayış, yoğun madde fiziğindeki temel problemlerle, örneğin elektronların temel yapısıyla ilişkilidir.kuantum fazları, kuantum faz geçişleri ve kuantum fazlarında birçok hareketsizleştirilmiş elementin uyarılması. Topolojik malzemelerde, elektronlar, fononlar ve spin gibi birçok serbestlik derecesi arasındaki bağlantı, malzeme özelliklerinin anlaşılmasında ve düzenlenmesinde belirleyici bir rol oynar. Işık uyarımı, farklı etkileşimler arasında ayrım yapmak ve maddenin durumunu değiştirmek için kullanılabilir ve böylece malzemenin temel fiziksel özellikleri, yapısal faz geçişleri ve yeni kuantum durumları hakkında bilgi elde edilebilir. Günümüzde, ışık alanı tarafından yönlendirilen topolojik malzemelerin makroskobik davranışı ile mikroskobik atomik yapıları ve elektronik özellikleri arasındaki ilişki bir araştırma hedefi haline gelmiştir.
Topolojik malzemelerin fotoelektrik tepki davranışı, mikroskobik elektronik yapısıyla yakından ilişkilidir. Topolojik yarı metallerde, bant kesişimindeki taşıyıcı uyarımı, sistemin dalga fonksiyonu özelliklerine oldukça duyarlıdır. Topolojik yarı metallerde doğrusal olmayan optik olayların incelenmesi, sistemin uyarılmış durumlarının fiziksel özelliklerini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir ve bu etkilerin,optik cihazlarve gelecekte potansiyel pratik uygulamalar sağlayan güneş hücrelerinin tasarımı. Örneğin, bir Weyl yarı metalinde, dairesel polarize ışık fotonunun emilmesi, spinin ters dönmesine neden olur ve açısal momentumun korunumunu sağlamak için, Weyl konisinin her iki tarafındaki elektron uyarımı, dairesel polarize ışık yayılımı boyunca asimetrik olarak dağılır; bu da kiral seçilim kuralı olarak adlandırılır (Şekil 1).
Topolojik malzemelerin doğrusal olmayan optik olaylarının teorik çalışması, genellikle malzeme temel durum özelliklerinin hesaplanması ve simetri analizinin birleştirilmesi yöntemini benimser. Ancak, bu yöntemin bazı kusurları vardır: Momentum uzayında ve gerçek uzayda uyarılmış taşıyıcıların gerçek zamanlı dinamik bilgisinden yoksundur ve zaman-çözümlü deneysel algılama yöntemiyle doğrudan bir karşılaştırma yapamaz. Elektron-fononlar ve foton-fononlar arasındaki kuplaj dikkate alınamaz. Bu, belirli faz geçişlerinin meydana gelmesi için çok önemlidir. Ayrıca, bozulma teorisine dayanan bu teorik analiz, güçlü ışık alanı altındaki fiziksel süreçleri ele alamaz. İlkelere dayanan zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel moleküler dinamik (TDDFT-MD) simülasyonu yukarıdaki sorunları çözebilir.
Son zamanlarda, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü/Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi'ne bağlı Yüzey Fiziği Devlet Anahtar Laboratuvarı SF10 Grubu'ndan araştırmacı Meng Sheng, doktora sonrası araştırmacı Guan Mengxue ve doktora öğrencisi Wang En'in rehberliğinde, Pekin Teknoloji Enstitüsü'nden Profesör Sun Jiatao ile iş birliği yaparak, kendi geliştirdikleri uyarılmış durum dinamiği simülasyon yazılımı TDAP'yi kullandılar. İkinci tür Weyl yarı metali WTe2'de, ultra hızlı lazere kuasti parçacık uyarımının tepki karakteristikleri incelendi.
Taşıyıcıların Weyl noktasına yakın seçici uyarılmasının, kiral uyarılma için kullanılan alışılmış spin seçim kuralından farklı olan atomik orbital simetrisi ve geçiş seçim kuralı tarafından belirlendiği ve uyarılma yolunun doğrusal polarize ışık ve foton enerjisinin polarizasyon yönünün değiştirilmesiyle kontrol edilebildiği gösterilmiştir (ŞEKİL 2).
Taşıyıcıların asimetrik uyarılması, gerçek uzayda farklı yönlerde fotoakımlar oluşturur ve bu da sistemin katmanlar arası kaymasının yönünü ve simetrisini etkiler. WTe2'nin topolojik özellikleri, örneğin Weyl noktalarının sayısı ve momentum uzayındaki ayrılık derecesi, sistemin simetrisine büyük ölçüde bağlı olduğundan (Şekil 3), taşıyıcıların asimetrik uyarılması, momentum uzayında Weyl kuasti parçacıklarının farklı davranışlarına ve sistemin topolojik özelliklerinde buna karşılık gelen değişikliklere yol açacaktır. Bu nedenle, çalışma fototopolojik faz geçişleri için net bir faz diyagramı sunmaktadır (Şekil 4).
Sonuçlar, Weyl noktası yakınındaki taşıyıcı uyarımının kiralitesine dikkat edilmesi ve dalga fonksiyonunun atomik orbital özelliklerinin analiz edilmesi gerektiğini göstermektedir. İkisinin etkileri benzer, ancak mekanizmaları açıkça farklıdır ve bu da Weyl noktalarının tekilliğini açıklamak için teorik bir temel sağlar. Ayrıca, bu çalışmada benimsenen hesaplamalı yöntem, atomik ve elektronik seviyelerdeki karmaşık etkileşimleri ve dinamik davranışları çok hızlı bir zaman ölçeğinde derinlemesine anlayabilir, mikrofiziksel mekanizmalarını ortaya çıkarabilir ve topolojik malzemelerde doğrusal olmayan optik olaylar üzerine gelecekteki araştırmalar için güçlü bir araç olması beklenmektedir.
Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayımlandı. Araştırma çalışmaları, Ulusal Temel Araştırma ve Geliştirme Planı, Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi'nin Stratejik Pilot Projesi (Kategori B) tarafından destekleniyor.
ŞEKİL 1.a. Dairesel polarize ışık altında pozitif kiralite işareti (χ=+1) olan Weyl noktaları için kiralite seçim kuralı; b. Weyl noktasındaki atomik orbital simetrisinden kaynaklanan seçici uyarılma. Çevrimiçi polarize ışıkta χ=+1
ŞEKİL 2. a, Td-WTe2'nin atomik yapı diyagramı; b. Fermi yüzeyine yakın bant yapısı; (c) Brillouin bölgesinde yüksek simetrik çizgiler boyunca dağılmış atomik orbitallerin bant yapısı ve bağıl katkıları, oklar (1) ve (2) sırasıyla Weyl noktalarına yakın veya uzak uyarımı temsil eder; d. Gamma-X yönü boyunca bant yapısının amplifikasyonu
ŞEKİL 3.ab: Kristalin A ekseni ve B ekseni boyunca doğrusal polarize ışığın polarizasyon yönünün göreli katmanlar arası hareketi ve buna karşılık gelen hareket modu gösterilmiştir; C. Teorik simülasyon ile deneysel gözlem arasındaki karşılaştırma; de: Sistemin simetri evrimi ve kz=0 düzlemindeki en yakın iki Weyl noktasının konumu, sayısı ve ayrılma derecesi
ŞEKİL 4. Doğrusal polarize ışık foton enerjisi (?) ω) ve polarizasyon yönüne (θ) bağlı faz diyagramı için Td-WTe2'deki fototopolojik faz geçişi
Gönderim zamanı: 25 Eylül 2023