Weil kuasi parçacıklarının ultra hızlı hareketinin incelenmesinde ilerleme kaydedildilazerler
Son yıllarda, topolojik kuantum durumları ve topolojik kuantum malzemeleri üzerine yapılan teorik ve deneysel araştırmalar, yoğun madde fiziği alanında sıcak bir konu haline gelmiştir. Madde sınıflandırmasının yeni bir kavramı olarak, simetri gibi topolojik düzen, yoğun madde fiziğinde temel bir kavramdır. Topolojinin derin bir şekilde anlaşılması, yoğun madde fiziğindeki temel problemlerle ilişkilidir, örneğin temel elektronik yapıkuantum evreleri, kuantum faz geçişleri ve kuantum fazlarında birçok immobilize edilmiş elementin uyarılması. Topolojik malzemelerde, elektronlar, fononlar ve spin gibi birçok serbestlik derecesi arasındaki bağlantı, malzeme özelliklerini anlama ve düzenlemede belirleyici bir rol oynar. Işık uyarımı, farklı etkileşimler arasında ayrım yapmak ve maddenin durumunu değiştirmek için kullanılabilir ve daha sonra malzemenin temel fiziksel özellikleri, yapısal faz geçişleri ve yeni kuantum durumları hakkında bilgi elde edilebilir. Şu anda, 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 metaller için, bant kesişimindeki taşıyıcı uyarımı sistemin dalga fonksiyonu özelliklerine karşı oldukça hassastır. Topolojik yarı metallerdeki 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 fotonunu emmek, spinin tersine dönmesine neden olur ve açısal momentumun korunumunu karşılamak için, Weyl konisinin her iki tarafındaki elektron uyarımı, kiral seçim kuralı olarak adlandırılan dairesel polarize ışık yayılımının yönü boyunca asimetrik olarak dağıtılır (Şekil 1).
Topolojik malzemelerin doğrusal olmayan optik fenomenlerinin 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 yöntemi ile doğrudan bir karşılaştırma yapamaz. Elektron-fononlar ve foton-fononlar arasındaki bağlantı dikkate alınamaz. Ve bu, belirli faz geçişlerinin meydana gelmesi için çok önemlidir. Ayrıca, bozulma teorisine dayanan bu teorik analiz, güçlü ışık alanı altındaki fiziksel süreçlerle baş edemez. İlk prensiplere 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'nin 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 işbirliği yaparak, kendi geliştirdikleri uyarılmış durum dinamikleri simülasyon yazılımı TDAP'yi kullandılar. İkinci tür Weyl yarı metal WTe2'de ultra hızlı lazere kuasti parçacık uyarımının tepki karakteristikleri araştırıldı.
Taşıyıcıların Weyl noktasına yakın seçici uyarılmasının, kiral uyarılma için kullanılan olağan spin seçim kuralından farklı olan atomik orbital simetrisi ve geçiş seçim kuralı tarafından belirlendiği ve uyarılma yolunun doğrusal polarize ışık ve foton enerjisinin polarizasyon yönünü değiştirerek kontrol edilebileceği gösterilmiştir (ŞEKİL 2).
Taşıyıcıların asimetrik uyarımı, gerçek uzayda farklı yönlerde foto akımları indükler ve bu da sistemin katmanlar arası kaymasının yönünü ve simetrisini etkiler. WTe2'nin topolojik özellikleri, örneğin Weyl noktalarının sayısı ve momentum uzayındaki ayrılma derecesi, sistemin simetrisine büyük ölçüde bağlı olduğundan (Şekil 3), taşıyıcıların asimetrik uyarımı, 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 sağlar (Şekil 4).
Sonuçlar, Weyl noktasının yakınındaki taşıyıcı uyarımının kiralitesine dikkat edilmesi gerektiğini 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 hesaplamalı yöntem, süper hızlı bir zaman ölçeğinde atomik ve elektronik seviyelerdeki karmaşık etkileşimleri ve dinamik davranışları derinlemesine anlayabilir, mikrofiziksel mekanizmalarını ortaya çıkarabilir ve topolojik malzemelerdeki doğrusal olmayan optik fenomenler üzerine gelecekteki araştırmalar için güçlü bir araç olması beklenmektedir.
Sonuçlar Nature Communications dergisinde yer almaktadır. Araştırma çalışması Ulusal Anahtar Araştırma ve Geliştirme Planı, Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Bilimler Akademisi'nin Stratejik Pilot Projesi (Kategori B) tarafından desteklenmektedir.
ŞEKİL 1.a. Dairesel polarize ışık altında pozitif kiralite işareti (χ=+1) olan Weyl noktaları için kiralite seçimi kuralı; b'nin Weyl noktasındaki atomik orbital simetrisinden kaynaklanan seçici uyarım. Çevrimiçi polarize ışıkta χ=+1
ŞEKİL 2. a, Td-WTe2'nin atomik yapı diyagramı; b. Fermi yüzeyinin yakınındaki 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 ışık 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
Gönderi zamanı: 25-Eyl-2023