бақыланатын Вейл квазибөлшектерінің аса жылдам қозғалысын зерттеуде ілгерілеушілікке қол жеткізілділазерлер
Соңғы жылдары топологиялық кванттық күйлер мен топологиялық кванттық материалдар бойынша теориялық және эксперименттік зерттеулер конденсацияланған материя физикасы саласында өзекті тақырыпқа айналды. Заттарды жіктеудің жаңа тұжырымдамасы ретінде топологиялық тәртіп, симметрия сияқты, конденсацияланған материя физикасындағы негізгі ұғым болып табылады. Топологияны терең түсіну конденсацияланған материя физикасындағы негізгі мәселелермен, мысалы, негізгі электрондық құрылыммен байланысты.кванттық фазалар, кванттық фазалық ауысулар және кванттық фазалардағы көптеген иммобилизацияланған элементтердің қозуы. Топологиялық материалдарда электрондар, фонондар және спин сияқты көптеген еркіндік дәрежелері арасындағы байланыс материалдық қасиеттерді түсінуде және реттеуде шешуші рөл атқарады. Жарық қозуын әртүрлі өзара әрекеттесулерді ажырату және заттың күйін манипуляциялау үшін пайдалануға болады, содан кейін материалдың негізгі физикалық қасиеттері, құрылымдық фазалық ауысулар және жаңа кванттық күйлер туралы ақпарат алуға болады. Қазіргі уақытта жарық өрісі басқаратын топологиялық материалдардың макроскопиялық мінез-құлқы мен олардың микроскопиялық атомдық құрылымы мен электрондық қасиеттері арасындағы байланыс зерттеу мақсатына айналды.
Топологиялық материалдардың фотоэлектрлік жауап беру әрекеті оның микроскопиялық электрондық құрылымымен тығыз байланысты. Топологиялық жартылай металдар үшін жолақ қиылысына жақын тасымалдаушы қоздыру жүйенің толқындық функция сипаттамаларына өте сезімтал. Топологиялық жартылай металдардағы сызықтық емес оптикалық құбылыстарды зерттеу жүйенің қозған күйлерінің физикалық қасиеттерін жақсы түсінуге көмектеседі және бұл әсерлерді өндірісте қолдануға болады деп күтілуде.оптикалық құрылғыларжәне болашақта практикалық қолдануды қамтамасыз ететін күн батареяларын жобалау. Мысалы, Вейл жартылай металында дөңгелек поляризацияланған жарықтың фотонын жұту спиннің айналуына әкеледі, ал бұрыштық импульстің сақталуын қамтамасыз ету үшін Вейл конусының екі жағындағы электронды қоздыру дөңгелек поляризацияланған жарықтың таралу бағыты бойынша асимметриялық түрде таралады, бұл хиральды таңдау ережесі деп аталады (1-сурет).
Топологиялық материалдардың сызықты емес оптикалық құбылыстарын теориялық зерттеу әдетте материалдың негізгі күй қасиеттерін есептеу мен симметрия талдауын біріктіру әдісін қолданады. Дегенмен, бұл әдістің кейбір кемшіліктері бар: онда импульс кеңістігіндегі және нақты кеңістіктегі қозған тасымалдаушылардың нақты уақыттағы динамикалық ақпараты жоқ және уақыт бойынша шешілетін эксперименттік анықтау әдісімен тікелей салыстыруды орната алмайды. Электрон-фонондар мен фотон-фонондар арасындағы байланысты қарастыру мүмкін емес. Және бұл белгілі бір фазалық ауысулардың болуы үшін өте маңызды. Сонымен қатар, пертурбация теориясына негізделген бұл теориялық талдау күшті жарық өрісіндегі физикалық процестерді қарастыра алмайды. Алғашқы принциптерге негізделген уақытқа тәуелді тығыздық функционалды молекулалық динамика (TDDFT-MD) модельдеуі жоғарыда аталған мәселелерді шеше алады.
Жақында Қытай Ғылым Академиясының Физика институтының/Пекин Ұлттық Концентрацияланған Зат Физикасы Зерттеу Орталығының SF10 тобының зерттеушісі Мэн Шенг, постдокторантура зерттеушісі Гуань Менсюэ және докторант Ван Эннің басшылығымен, Пекин технология институтының профессоры Сунь Цзятаомен бірлесіп, олар өздері әзірлеген қозған күй динамикасын модельдеу бағдарламалық жасақтамасын TDAP пайдаланды. Екінші типтегі Вейл жартылай металл WTe2-дегі ультражылдам лазерге квастибөлшектерді қоздырудың жауап беру сипаттамалары зерттелді.
Вейл нүктесінің маңындағы тасымалдаушылардың селективті қозуы атомдық орбиталық симметрия және өтпелі таңдау ережесімен анықталатыны, бұл хиральды қоздырудың әдеттегі спин таңдау ережесінен өзгеше екені және оның қоздыру жолын сызықтық поляризацияланған жарық пен фотон энергиясының поляризация бағытын өзгерту арқылы басқаруға болатыны көрсетілген (2-сурет).
Тасымалдаушылардың асимметриялық қозуы нақты кеңістікте әртүрлі бағытта фототоктарды тудырады, бұл жүйенің қабатаралық сырғанау бағыты мен симметриясына әсер етеді. WTe2 топологиялық қасиеттері, мысалы, Вейл нүктелерінің саны және импульс кеңістігіндегі бөліну дәрежесі, жүйенің симметриясына қатты тәуелді болғандықтан (3-сурет), тасымалдаушылардың асимметриялық қозуы Вейл квастибөлшектерінің импульс кеңістігіндегі әртүрлі мінез-құлқына және жүйенің топологиялық қасиеттерінің сәйкес өзгерістеріне әкеледі. Осылайша, зерттеу фототопологиялық фазалық ауысулар үшін айқын фазалық диаграмманы ұсынады (4-сурет).
Нәтижелер Вейл нүктесінің маңындағы тасымалдаушы қоздырудың хиральдылығына назар аудару керектігін және толқындық функцияның атомдық орбиталық қасиеттерін талдау керектігін көрсетеді. Екеуінің әсері ұқсас, бірақ механизмі айқын ерекшеленеді, бұл Вейл нүктелерінің сингулярлығын түсіндіруге теориялық негіз береді. Сонымен қатар, осы зерттеуде қолданылған есептеу әдісі өте жылдам уақыт шкаласындағы атомдық және электрондық деңгейлердегі күрделі өзара әрекеттесулер мен динамикалық мінез-құлықтарды терең түсінуге, олардың микрофизикалық механизмдерін ашуға мүмкіндік береді және топологиялық материалдардағы сызықтық емес оптикалық құбылыстарды болашақта зерттеу үшін қуатты құрал болады деп күтілуде.
Нәтижелер Nature Communications журналында жарияланған. Зерттеу жұмысын Ұлттық негізгі зерттеулер мен әзірлеу жоспары, Ұлттық жаратылыстану ғылымдары қоры және Қытай Ғылым академиясының Стратегиялық пилоттық жобасы (В санаты) қолдайды.
1.a-сурет. Дөңгелек поляризацияланған жарық кезінде оң хиралдық белгісі (χ=+1) бар Вейл нүктелері үшін хиралдықты таңдау ережесі; b нүктесінің Вейл нүктесіндегі атомдық орбиталық симметрияға байланысты селективті қозу. Онлайн поляризацияланған жарықтағы χ=+1.
2-СУРЕТ. a, Td-WTe2 атомдық құрылымының диаграммасы; b. Ферми бетіне жақын аймақтық құрылым; (c) Аймақтағы жоғары симметриялы сызықтар бойымен таралған аймақтық құрылым және атомдық орбитальдардың салыстырмалы үлестері, (1) және (2) көрсеткілері сәйкесінше Вейл нүктелеріне жақын немесе алыс қозуды білдіреді; d. Гамма-X бағыты бойынша аймақтық құрылымның күшеюі
3.ab суреті: Кристаллдың А және В осі бойымен сызықтық поляризацияланған жарық поляризация бағытының салыстырмалы қабатаралық қозғалысы және сәйкес қозғалыс режимі көрсетілген; C. Теориялық модельдеу мен эксперименттік бақылауды салыстыру; de: Жүйенің симметрия эволюциясы және kz=0 жазықтығындағы екі ең жақын Вейл нүктелерінің орналасуы, саны және бөліну дәрежесі.
4-СУРЕТ. Сызықтық поляризацияланған жарық фотон энергиясы (?) ω) және поляризация бағыты (θ) тәуелді фазалық диаграммасы үшін Td-WTe2-дегі фототопологиялық фазалық ауысу
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 25 қыркүйек