ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในการศึกษาการเคลื่อนที่เร็วมากของควาสิอนุภาคของไวล์ที่ควบคุมด้วยเลเซอร์

ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในการศึกษาการเคลื่อนที่เร็วมากของควาสิอนุภาคของไวล์ที่ควบคุมโดยเลเซอร์

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองเกี่ยวกับสถานะควอนตัมเชิงโทโพโลยีและวัสดุควอนตัมเชิงโทโพโลยีได้กลายเป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสาขาฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ในฐานะแนวคิดใหม่ของการจำแนกสสาร ลำดับเชิงโทโพโลยี เช่นเดียวกับความสมมาตร เป็นแนวคิดพื้นฐานในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ความเข้าใจเชิงลึกเกี่ยวกับโทโพโลยีเกี่ยวข้องกับปัญหาพื้นฐานในฟิสิกส์ของสสารควบแน่น เช่น โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานของเฟสควอนตัมการเปลี่ยนเฟสควอนตัมและการกระตุ้นขององค์ประกอบที่หยุดนิ่งจำนวนมากในเฟสควอนตัม ในวัสดุทางโทโพโลยี การผูกโยงระหว่างองศาอิสระหลายองศา เช่น อิเล็กตรอน โฟนอน และสปิน มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจและควบคุมคุณสมบัติของวัสดุ การกระตุ้นด้วยแสงสามารถใช้เพื่อแยกแยะระหว่างปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันและควบคุมสถานะของสสาร จากนั้นจึงสามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของวัสดุ การเปลี่ยนเฟสของโครงสร้าง และสถานะควอนตัมใหม่ได้ ในปัจจุบัน ความสัมพันธ์ระหว่างพฤติกรรมในระดับมหภาคของวัสดุทางโทโพโลยีที่ขับเคลื่อนด้วยสนามแสงกับโครงสร้างอะตอมในระดับจุลภาคและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ได้กลายเป็นเป้าหมายการวิจัย

พฤติกรรมการตอบสนองทางแสงของวัสดุโทโพโลยีมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ในระดับจุลภาค สำหรับกึ่งโลหะโทโพโลยี การกระตุ้นของพาหะใกล้กับจุดตัดของแถบนั้นมีความไวสูงต่อลักษณะฟังก์ชันคลื่นของระบบ การศึกษาปรากฏการณ์ออปติกที่ไม่เชิงเส้นในกึ่งโลหะโทโพโลยีสามารถช่วยให้เราเข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพของสถานะที่กระตุ้นของระบบได้ดีขึ้น และคาดว่าผลกระทบเหล่านี้สามารถใช้ในการผลิตอุปกรณ์ออปติคอลและการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งจะช่วยให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้จริงในอนาคต ตัวอย่างเช่น ในเซมิเมทัลของไวล์ การดูดซับโฟตอนของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมจะทำให้สปินพลิกกลับ และเพื่อให้เป็นไปตามการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม การกระตุ้นอิเล็กตรอนบนทั้งสองด้านของกรวยไวล์จะกระจายแบบไม่สมมาตรตามทิศทางการแพร่กระจายของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม ซึ่งเรียกว่ากฎการคัดเลือกไครัล (รูปที่ 1)

การศึกษาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์ออปติกที่ไม่เป็นเชิงเส้นของวัสดุโทโพโลยีมักใช้การผสมผสานระหว่างการคำนวณคุณสมบัติสถานะพื้นของวัสดุและการวิเคราะห์ความสมมาตร อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อบกพร่องบางประการ คือ ขาดข้อมูลไดนามิกแบบเรียลไทม์ของตัวพาที่ถูกกระตุ้นในพื้นที่โมเมนตัมและพื้นที่จริง และไม่สามารถสร้างการเปรียบเทียบโดยตรงกับวิธีการตรวจจับการทดลองที่แก้ไขตามเวลาได้ ไม่สามารถพิจารณาการจับคู่ระหว่างอิเล็กตรอน-โฟนอนและโฟตอน-โฟนอนได้ และนี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเกิดการเปลี่ยนเฟสบางอย่าง นอกจากนี้ การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีนี้ซึ่งอิงตามทฤษฎีการรบกวนไม่สามารถจัดการกับกระบวนการทางกายภาพภายใต้สนามแสงที่แรงได้ การจำลองไดนามิกโมเลกุลเชิงฟังก์ชันความหนาแน่นตามเวลา (TDDFT-MD) ซึ่งอิงตามหลักการพื้นฐานสามารถแก้ปัญหาข้างต้นได้

เมื่อไม่นานนี้ ภายใต้การชี้นำของนักวิจัย Meng Sheng นักวิจัยหลังปริญญาเอก Guan Mengxue และนักศึกษาปริญญาเอก Wang En จากกลุ่ม SF10 ของห้องปฏิบัติการหลักของรัฐด้านฟิสิกส์พื้นผิวของสถาบันฟิสิกส์ของสถาบันวิทยาศาสตร์จีน/ศูนย์วิจัยแห่งชาติปักกิ่งด้านฟิสิกส์สสารเข้มข้น ร่วมกับศาสตราจารย์ Sun Jiatao จากสถาบันเทคโนโลยีปักกิ่ง พวกเขาใช้ซอฟต์แวร์จำลองสถานะกระตุ้นที่พัฒนาขึ้นเอง TDAP ลักษณะการตอบสนองของการกระตุ้นแบบควาสติพาร์ติเคิลต่อเลเซอร์ความเร็วสูงใน Weyl semi-metal WTe2 ชนิดที่สองได้รับการศึกษา

งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นแบบเลือกของตัวพาใกล้จุด Weyl ได้รับการกำหนดโดยสมมาตรวงโคจรของอะตอมและกฎการเลือกการเปลี่ยนผ่าน ซึ่งแตกต่างจากกฎการเลือกสปินปกติสำหรับการกระตุ้นไครัล และเส้นทางการกระตุ้นสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนทิศทางการโพลาไรเซชันของแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นและพลังงานโฟตอน (รูปที่ 2)

การกระตุ้นแบบไม่สมมาตรของพาหะทำให้เกิดโฟโตเคอร์เรนต์ในทิศทางต่างๆ ในอวกาศจริง ซึ่งส่งผลต่อทิศทางและความสมมาตรของสลิประหว่างชั้นของระบบ เนื่องจากคุณสมบัติทางโทโพโลยีของ WTe2 เช่น จำนวนจุด Weyl และระดับการแยกตัวในพื้นที่โมเมนตัม ขึ้นอยู่กับความสมมาตรของระบบเป็นอย่างมาก (รูปที่ 3) การกระตุ้นแบบไม่สมมาตรของพาหะจะส่งผลให้ควาสติพาร์ติเคิล Weyl มีพฤติกรรมที่แตกต่างกันในพื้นที่โมเมนตัม และคุณสมบัติทางโทโพโลยีของระบบจะเปลี่ยนแปลงไปในทางเดียวกัน ดังนั้น การศึกษานี้จึงให้ไดอะแกรมเฟสที่ชัดเจนสำหรับการเปลี่ยนเฟสของโฟโตโทโพโลยี (รูปที่ 4)

ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าควรให้ความสนใจกับความเป็นไครัลของการกระตุ้นของพาหะใกล้จุดไวล์ และควรวิเคราะห์คุณสมบัติวงโคจรของอะตอมของฟังก์ชันคลื่น ผลของทั้งสองอย่างนั้นคล้ายคลึงกัน แต่กลไกนั้นแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการอธิบายความแปลกประหลาดของจุดไวล์ นอกจากนี้ วิธีการคำนวณที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้สามารถเข้าใจปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนและพฤติกรรมไดนามิกในระดับอะตอมและอิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างลึกซึ้งในช่วงเวลาที่รวดเร็วเป็นพิเศษ เปิดเผยกลไกทางจุลฟิสิกส์ และคาดว่าจะเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับปรากฏการณ์ออปติกที่ไม่เชิงเส้นในวัสดุทางโทโพโลยี

ผลการวิจัยดังกล่าวตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications งานวิจัยดังกล่าวได้รับการสนับสนุนจากแผนงานวิจัยและพัฒนาระดับชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติ และโครงการนำร่องเชิงกลยุทธ์ (หมวด B) ของสถาบันวิทยาศาสตร์จีน

รูปที่ 1.a. กฎการเลือกไครัลสำหรับจุด Weyl ที่มีเครื่องหมายไครัลเป็นบวก (χ=+1) ภายใต้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลม การกระตุ้นแบบเลือกเนื่องจากสมมาตรวงโคจรอะตอมที่จุด Weyl ของ b. χ=+1 ในแสงโพลาไรซ์ออนไลน์

รูปที่ 2 แผนภาพโครงสร้างอะตอมของ a, Td-WTe2; b. โครงสร้างแถบใกล้พื้นผิวแฟร์มี; (c) โครงสร้างแถบและองค์ประกอบสัมพันธ์ของวงโคจรอะตอมที่กระจายไปตามเส้นสมมาตรสูงในบริเวณบริลลูอิน ลูกศร (1) และ (2) แสดงการกระตุ้นใกล้หรือไกลจากจุดไวล์ตามลำดับ; d. การขยายของโครงสร้างแถบตามทิศทางแกมมา-เอ็กซ์

รูปที่ 3.ab: การเคลื่อนที่แบบสัมพันธ์กันของทิศทางการโพลาไรซ์แสงแบบโพลาไรซ์เชิงเส้นระหว่างชั้นตามแกน A และแกน B ของคริสตัล และโหมดการเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกันนั้นแสดงไว้ดังนี้ C. การเปรียบเทียบระหว่างการจำลองเชิงทฤษฎีกับการสังเกตการทดลอง de: วิวัฒนาการของความสมมาตรของระบบและตำแหน่ง จำนวน และระดับการแยกของจุด Weyl สองจุดที่อยู่ใกล้ที่สุดในระนาบ kz=0

รูปที่ 4 การเปลี่ยนเฟสของโฟโตโทโพโลยีใน Td-WTe2 สำหรับไดอะแกรมเฟสที่ขึ้นอยู่กับพลังงานโฟตอนของแสงโพลาไรซ์เชิงเส้น (?) ω) และทิศทางโพลาไรเซชัน (θ)