ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในการศึกษาการเคลื่อนที่เร็วมากของควาซิอนุภาค Weil ที่ควบคุมโดยเลเซอร์
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองเกี่ยวกับสถานะควอนตัมเชิงทอพอโลยีและวัสดุควอนตัมเชิงทอพอโลยีได้กลายเป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสาขาฟิสิกส์สสารควบแน่น ในฐานะแนวคิดใหม่ของการจำแนกประเภทสสาร ลำดับเชิงทอพอโลยี เช่นเดียวกับความสมมาตร ถือเป็นแนวคิดพื้นฐานในฟิสิกส์สสารควบแน่น ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับโทโพโลยีเกี่ยวข้องกับปัญหาพื้นฐานในฟิสิกส์สสารควบแน่น เช่น โครงสร้างอิเล็กตรอนพื้นฐานของเฟสควอนตัมการเปลี่ยนเฟสเชิงควอนตัมและการกระตุ้นของธาตุที่หยุดนิ่งหลายชนิดในเฟสเชิงควอนตัม ในวัสดุเชิงทอพอโลยี การควบคู่กันระหว่างองศาอิสระหลายระดับ เช่น อิเล็กตรอน โฟนอน และสปิน มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจและควบคุมคุณสมบัติของวัสดุ การกระตุ้นด้วยแสงสามารถใช้เพื่อแยกแยะปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันและควบคุมสถานะของสสาร และสามารถหาข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของวัสดุ การเปลี่ยนเฟสเชิงโครงสร้าง และสถานะควอนตัมใหม่ๆ ได้ ปัจจุบัน ความสัมพันธ์ระหว่างพฤติกรรมมหภาคของวัสดุเชิงทอพอโลยีที่ขับเคลื่อนด้วยสนามแสงกับโครงสร้างอะตอมและสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ในระดับจุลภาคได้กลายเป็นเป้าหมายการวิจัย
พฤติกรรมการตอบสนองทางโฟโตอิเล็กทริกของวัสดุโทโพโลยีมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ระดับจุลภาค สำหรับกึ่งโลหะโทโพโลยี การกระตุ้นของพาหะใกล้กับจุดตัดของแถบมีความไวสูงต่อลักษณะฟังก์ชันคลื่นของระบบ การศึกษาปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นในกึ่งโลหะโทโพโลยีสามารถช่วยให้เราเข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพของสถานะกระตุ้นของระบบได้ดียิ่งขึ้น และคาดว่าผลกระทบเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในการผลิตอุปกรณ์ออปติคัลและการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งเปิดโอกาสให้นำไปประยุกต์ใช้งานได้จริงในอนาคต ยกตัวอย่างเช่น ในสารกึ่งโลหะไวล์ การดูดซับโฟตอนของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมจะทำให้สปินเกิดการพลิกกลับ และเพื่อให้เป็นไปตามหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม การกระตุ้นอิเล็กตรอนทั้งสองด้านของกรวยไวล์จะกระจายตัวแบบไม่สมมาตรตามทิศทางการแพร่กระจายของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม ซึ่งเรียกว่ากฎการคัดเลือกไครัล (รูปที่ 1)
การศึกษาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นของวัสดุทอพอโลยีมักใช้วิธีการผสมผสานการคำนวณสมบัติสถานะพื้นของวัสดุและการวิเคราะห์ความสมมาตร อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีข้อบกพร่องบางประการ คือ ขาดข้อมูลไดนามิกแบบเรียลไทม์ของตัวพาที่ถูกกระตุ้นในปริภูมิโมเมนตัมและปริภูมิจริง และไม่สามารถเปรียบเทียบโดยตรงกับวิธีการตรวจจับแบบทดสอบที่แก้ไขตามเวลาได้ ไม่สามารถพิจารณาการควบคู่ระหว่างอิเล็กตรอน-โฟนอนและโฟตอน-โฟนอนได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการเกิดการเปลี่ยนเฟส นอกจากนี้ การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีที่อิงตามทฤษฎีการรบกวนนี้ยังไม่ครอบคลุมกระบวนการทางกายภาพภายใต้สนามแสงจ้า การจำลองพลวัตโมเลกุลเชิงฟังก์ชันความหนาแน่นตามเวลา (TDDFT-MD) ที่อิงตามหลักการเบื้องต้นสามารถแก้ปัญหาข้างต้นได้
เมื่อไม่นานมานี้ ภายใต้การชี้นำของนักวิจัยเหมิง เซิ่ง นักวิจัยหลังปริญญาเอก กวน เหมิงเสว่ และนักศึกษาปริญญาเอก หวัง เอิน จากกลุ่ม SF10 ของห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พื้นผิวหลักของรัฐ สถาบันฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน/ศูนย์วิจัยฟิสิกส์สสารเข้มข้นแห่งชาติปักกิ่ง ร่วมกับศาสตราจารย์ซุน เจียเทา จากสถาบันเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้ใช้ซอฟต์แวร์จำลองพลวัตสถานะกระตุ้นที่พัฒนาขึ้นเอง TDAP ได้มีการศึกษาลักษณะการตอบสนองของการกระตุ้นแบบควอสติพาร์ติเคิลต่อเลเซอร์ความเร็วสูงใน Weyl semi-metal WTe2 ชนิดที่สอง
ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นแบบเลือกของตัวพาใกล้จุด Weyl นั้นถูกกำหนดโดยสมมาตรวงโคจรของอะตอมและกฎการเลือกทรานซิชัน ซึ่งแตกต่างจากกฎการเลือกสปินทั่วไปสำหรับการกระตุ้นไครัล และเส้นทางการกระตุ้นสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนทิศทางโพลาไรเซชันของแสงโพลาไรเซชันเชิงเส้นและพลังงานโฟตอน (รูปที่ 2)
การกระตุ้นแบบไม่สมมาตรของพาหะทำให้เกิดกระแสโฟโตเคอร์เรนต์ในทิศทางต่างๆ ในปริภูมิจริง ซึ่งส่งผลต่อทิศทางและความสมมาตรของการเลื่อนตัวระหว่างชั้นของระบบ เนื่องจากคุณสมบัติเชิงโทโพโลยีของ WTe2 เช่น จำนวนจุดไวล์และระดับการแยกตัวในปริภูมิโมเมนตัม ขึ้นอยู่กับความสมมาตรของระบบอย่างมาก (รูปที่ 3) การกระตุ้นแบบไม่สมมาตรของพาหะจะนำไปสู่พฤติกรรมที่แตกต่างกันของอนุภาคควอสติอนุภาคไวล์ในปริภูมิโมเมนตัม และการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงโทโพโลยีของระบบที่สอดคล้องกัน ดังนั้น การศึกษานี้จึงให้แผนภาพเฟสที่ชัดเจนสำหรับการเปลี่ยนเฟสของโฟโตโทโพโลยี (รูปที่ 4)
ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าควรให้ความสำคัญกับความเป็นไครัลของการกระตุ้นของพาหะใกล้จุดไวล์ และควรวิเคราะห์สมบัติเชิงวงโคจรของอะตอมของฟังก์ชันคลื่น ผลของทั้งสองมีความคล้ายคลึงกัน แต่กลไกมีความแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการอธิบายภาวะเอกฐานของจุดไวล์ นอกจากนี้ วิธีการคำนวณที่ใช้ในการศึกษานี้สามารถเข้าใจปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนและพฤติกรรมพลวัตในระดับอะตอมและอิเล็กตรอนได้อย่างลึกซึ้งในช่วงเวลาที่รวดเร็วมาก เผยให้เห็นกลไกทางจุลฟิสิกส์ และคาดว่าจะเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นในวัสดุทอพอโลยี
ผลการวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากแผนวิจัยและพัฒนาหลักแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติ และโครงการนำร่องเชิงกลยุทธ์ (หมวด B) ของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน
รูปที่ 1.a. กฎการเลือกไครัลสำหรับจุด Weyl ที่มีเครื่องหมายไครัลเป็นบวก (χ=+1) ภายใต้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลม การกระตุ้นแบบเลือกเนื่องจากสมมาตรวงโคจรอะตอมที่จุด Weyl ของ b χ=+1 ในแสงโพลาไรซ์แบบออนไลน์
รูปที่ 2 แผนภาพโครงสร้างอะตอมของ a, Td-WTe2; b. โครงสร้างแถบใกล้ผิวแฟร์มี; (c) โครงสร้างแถบและองค์ประกอบสัมพัทธ์ของออร์บิทัลอะตอมที่กระจายตามแนวเส้นสมมาตรสูงในบริเวณบริลลูอิน ลูกศร (1) และ (2) แสดงการกระตุ้นใกล้หรือไกลจากจุดไวล์ตามลำดับ; d. การขยายของโครงสร้างแถบตามทิศทางแกมมา-เอ็กซ์
รูปที่ 3.ab: แสดงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างชั้นของทิศทางโพลาไรซ์แสงเชิงเส้นตามแกน A และแกน B ของผลึก และโหมดการเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกัน C. การเปรียบเทียบระหว่างการจำลองเชิงทฤษฎีกับการสังเกตเชิงทดลอง de: วิวัฒนาการสมมาตรของระบบและตำแหน่ง จำนวน และระดับการแยกของจุด Weyl สองจุดที่ใกล้ที่สุดในระนาบ kz=0
รูปที่ 4 การเปลี่ยนเฟสของโฟโตโทโพโลยีใน Td-WTe2 สำหรับไดอะแกรมเฟสที่ขึ้นอยู่กับพลังงานโฟตอนแสงโพลาไรซ์เชิงเส้น (?) ω) และทิศทางโพลาไรเซชัน (θ)
เวลาโพสต์: 25 ก.ย. 2566