Weil kuaziparçacıklarının ultra hızlı hareketinin kontrolüyle ilgili çalışmalarda ilerleme kaydedildi.lazerler
Son yıllarda, topolojik kuantum durumları ve topolojik kuantum malzemeleri üzerine yapılan teorik ve deneysel araştırmalar, yoğun madde fiziği alanında popüler bir konu haline gelmiştir. Maddenin sınıflandırılmasının yeni bir kavramı olarak topolojik düzen, simetri gibi, yoğun madde fiziğinde temel bir kavramdır. Topolojinin derinlemesine anlaşılması, yoğun madde fiziğindeki temel sorunlarla, örneğin temel elektronik yapı ile ilişkilidir.kuantum fazlarıKuantum faz geçişleri ve kuantum fazlarında birçok hareketsiz elementin uyarılması. Topolojik malzemelerde, elektronlar, fononlar ve spin gibi birçok serbestlik derecesi arasındaki etkileşim, malzeme özelliklerinin anlaşılmasında ve düzenlenmesinde belirleyici bir rol oynar. Işık uyarımı, farklı etkileşimleri ayırt etmek ve maddenin halini manipüle etmek için kullanılabilir ve böylece malzemenin temel fiziksel özellikleri, yapısal faz geçişleri ve yeni kuantum durumları hakkında bilgi edinilebilir. Şu anda, ışık alanı tarafından yönlendirilen topolojik malzemelerin makroskopik davranışı ile mikroskobik atomik yapısı ve elektronik özellikleri arasındaki ilişki bir araştırma hedefi haline gelmiştir.
Topolojik malzemelerin fotoelektrik tepki davranışı, mikroskobik elektronik yapısıyla yakından ilişkilidir. Topolojik yarı metaller için, bant kesişimine yakın taşıyıcı uyarımı, sistemin dalga fonksiyonu özelliklerine son derece duyarlıdır. Topolojik yarı metallerdeki doğrusal olmayan optik olayların incelenmesi, sistemin uyarılmış durumlarının fiziksel özelliklerini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir ve bu etkilerin, üretimde kullanılabileceği beklenmektedir.optik cihazlarve güneş pillerinin tasarımı, gelecekte potansiyel pratik uygulamalar sunmaktadır. Örneğin, bir Weyl yarı metalinde, dairesel polarize ışığın bir fotonunu emmek, spinin tersine dönmesine neden olur ve açısal momentumun korunumu ilkesini karşılamak için, Weyl konisinin her iki tarafındaki elektron uyarımı, dairesel polarize ışığın yayılma yönü boyunca asimetrik olarak dağılır; buna kiral seçim kuralı denir (Şekil 1).
Topolojik malzemelerin doğrusal olmayan optik olaylarının teorik incelenmesi genellikle malzeme temel durum özelliklerinin hesaplanması ve simetri analizinin birleştirilmesi yöntemini benimser. Bununla birlikte, bu yöntemin bazı dezavantajları vardır: momentum uzayında ve gerçek uzayda uyarılmış taşıyıcıların gerçek zamanlı dinamik bilgilerinden yoksundur ve zamana bağlı deneysel algılama yöntemiyle doğrudan bir karşılaştırma kuramaz. Elektron-fonon ve foton-fonon arasındaki etkileşim dikkate alınamaz. Bu da belirli faz geçişlerinin gerçekleşmesi için çok önemlidir. Ayrıca, pertürbasyon teorisine dayalı bu teorik analiz, güçlü ışık alanı altındaki fiziksel süreçleri ele alamaz. İlk prensiplere dayalı zamana bağlı yoğunluk fonksiyonel moleküler dinamik (TDDFT-MD) simülasyonu yukarıdaki sorunları çözebilir.
Yakın zamanda, Çin Bilimler Akademisi Fizik Enstitüsü/Pekin Ulusal Yoğun Madde Fiziği Araştırma Merkezi Yüzey Fiziği Devlet Anahtar Laboratuvarı SF10 Grubu'ndan araştırmacı Meng Sheng, doktora sonrası araştırmacı Guan Mengxue ve doktora öğrencisi Wang En'in rehberliğinde ve Pekin Teknoloji Enstitüsü'nden Profesör Sun Jiatao ile işbirliği içinde, kendi geliştirdikleri uyarılmış durum dinamikleri simülasyon yazılımı TDAP'ı kullanarak, ikinci tür Weyl yarı iletkeni WTe2'de ultra hızlı lazere karşı kuaziparçacık uyarımının tepki karakteristiklerini araştırdılar.
Weyl noktasına yakın taşıyıcıların seçici uyarımının, atomik yörünge simetrisi ve geçiş seçimi kuralı tarafından belirlendiği, bunun kiral uyarım için olağan spin seçimi kuralından farklı olduğu ve uyarım yolunun doğrusal polarize ışığın polarizasyon yönünü ve foton enerjisini değiştirerek kontrol edilebileceği gösterilmiştir (Şekil 2).
Taşıyıcıların asimetrik uyarılması, gerçek uzayda farklı yönlerde fotoakımlar oluşturur ve bu da sistemin katmanlar arası kaymasının yönünü ve simetrisini etkiler. WTe2'nin Weyl noktalarının sayısı ve momentum uzayındaki ayrılma derecesi gibi topolojik özellikleri sistemin simetrisine büyük ölçüde bağlı olduğundan (Şekil 3), taşıyıcıların asimetrik uyarılması, momentum uzayında Weyl kuazi parçacıklarının farklı davranışlarına ve sistemin topolojik özelliklerinde 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 benzerdir ancak mekanizma açıkça farklıdır ve bu da Weyl noktalarının tekilliğini açıklamak için teorik bir temel sağlar. Ek olarak, bu çalışmada benimsenen hesaplama yöntemi, süper hızlı bir zaman ölçeğinde atomik ve elektronik seviyelerdeki karmaşık etkileşimleri ve dinamik davranışları derinlemesine anlamayı, mikrofiziksel mekanizmalarını ortaya çıkarmayı ve topolojik malzemelerdeki doğrusal olmayan optik olaylar üzerine gelecekteki araştırmalar için güçlü bir araç olmayı hedeflemektedir.
Sonuçlar Nature Communications dergisinde yayımlandı. Araştırma çalışması, Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Planı, Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi'nin Stratejik Pilot Projesi (Kategori B) tarafından desteklenmiştir.
ŞEKİL 1.a. Dairesel polarize ışık altında pozitif kiralite işaretine (χ=+1) sahip Weyl noktaları için kiralite seçim kuralı; b. Çevrimiçi polarize ışıkta χ=+1 Weyl noktasında atomik orbital simetrisinden kaynaklanan seçici uyarım.
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 göreceli katkıları, oklar (1) ve (2) sırasıyla Weyl noktalarına yakın veya uzak uyarımı temsil eder; d) Gama-X yönü boyunca bant yapısının büyütülmesi
ŞEKİL 3.ab: Kristalin A ekseni ve B ekseni boyunca doğrusal polarize ışığın polarizasyon yönünün göreceli katmanlar arası hareketi ve karşılık gelen hareket modu gösterilmiştir; C. Teorik simülasyon ve 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 yönü (θ) bağımlı faz diyagramı için Td-WTe2'deki fototopolojik faz geçişi.
Yayın tarihi: 25 Eylül 2023