มีความก้าวหน้าในการศึกษาการเคลื่อนที่เร็วมากของอนุภาคกึ่งไวล์ที่ควบคุมด้วยเลเซอร์

มีความก้าวหน้าในการศึกษาการเคลื่อนที่เร็วมากของอนุภาคกึ่งไวล์ที่ถูกควบคุมโดยเลเซอร์

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองเกี่ยวกับสถานะควอนตัมเชิงทอพอโลยีและวัสดุควอนตัมเชิงทอพอโลยีได้กลายเป็นหัวข้อที่ได้รับความสนใจอย่างมากในสาขาฟิสิกส์สสารควบแน่น ในฐานะที่เป็นแนวคิดใหม่ในการจำแนกประเภทของสสาร ลำดับเชิงทอพอโลยี เช่นเดียวกับสมมาตร เป็นแนวคิดพื้นฐานในฟิสิกส์สสารควบแน่น ความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับทอพอโลยีมีความเกี่ยวข้องกับปัญหาพื้นฐานในฟิสิกส์สสารควบแน่น เช่น โครงสร้างอิเล็กตรอนพื้นฐานของสสารเฟสควอนตัมการเปลี่ยนเฟสควอนตัมและการกระตุ้นองค์ประกอบที่ตรึงอยู่กับที่จำนวนมากในเฟสควอนตัม ในวัสดุเชิงทอพอโลยี การเชื่อมโยงระหว่างระดับความเป็นอิสระหลายระดับ เช่น อิเล็กตรอน โฟนอน และสปิน มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจและควบคุมคุณสมบัติของวัสดุ การกระตุ้นด้วยแสงสามารถใช้เพื่อแยกแยะปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกันและจัดการสถานะของสสาร จากนั้นจึงสามารถได้รับข้อมูลเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของวัสดุ การเปลี่ยนเฟสโครงสร้าง และสถานะควอนตัมใหม่ ปัจจุบัน ความสัมพันธ์ระหว่างพฤติกรรมระดับมหภาคของวัสดุเชิงทอพอโลยีที่ขับเคลื่อนด้วยสนามแสงกับโครงสร้างอะตอมระดับจุลภาคและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุเหล่านั้นได้กลายเป็นเป้าหมายของการวิจัย

พฤติกรรมการตอบสนองทางแสงและไฟฟ้าของวัสดุเชิงทอพอโลยีมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างอิเล็กตรอนระดับจุลภาค สำหรับสารกึ่งโลหะเชิงทอพอโลยี การกระตุ้นตัวนำใกล้จุดตัดของแถบพลังงานมีความไวสูงต่อลักษณะเฉพาะของฟังก์ชันคลื่นของระบบ การศึกษาปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นในสารกึ่งโลหะเชิงทอพอโลยีสามารถช่วยให้เราเข้าใจคุณสมบัติทางกายภาพของสถานะกระตุ้นของระบบได้ดียิ่งขึ้น และคาดว่าผลกระทบเหล่านี้จะสามารถนำไปใช้ในการผลิตได้อุปกรณ์ทางแสงและการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติในอนาคต ตัวอย่างเช่น ในสารกึ่งโลหะเวล์ (Weyl semi-metal) การดูดซับโฟตอนของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมจะทำให้สปินพลิกกลับ และเพื่อให้เป็นไปตามหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม การกระตุ้นอิเล็กตรอนที่ด้านทั้งสองของกรวยเวล์จะกระจายตัวอย่างไม่สมมาตรไปตามทิศทางการแพร่กระจายของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม ซึ่งเรียกว่ากฎการเลือกแบบไครัล (รูปที่ 1)

การศึกษาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นของวัสดุเชิงทอพอโลยีมักใช้วิธีการรวมการคำนวณคุณสมบัติสถานะพื้นฐานของวัสดุและการวิเคราะห์สมมาตร อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มีข้อบกพร่องบางประการ ได้แก่ ขาดข้อมูลพลวัตแบบเรียลไทม์ของตัวพาที่ถูกกระตุ้นในปริภูมิโมเมนตัมและปริภูมิจริง และไม่สามารถเปรียบเทียบโดยตรงกับวิธีการตรวจจับเชิงทดลองแบบเวลาที่แม่นยำได้ ไม่สามารถพิจารณาการเชื่อมโยงระหว่างอิเล็กตรอน-โฟนอนและโฟตอน-โฟนอนได้ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการเกิดการเปลี่ยนเฟสบางอย่าง นอกจากนี้ การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีนี้ที่อิงตามทฤษฎีการรบกวนไม่สามารถจัดการกับกระบวนการทางกายภาพภายใต้สนามแสงที่รุนแรงได้ การจำลองพลศาสตร์โมเลกุลเชิงฟังก์ชันความหนาแน่นแบบขึ้นอยู่กับเวลา (TDDFT-MD) ที่อิงตามหลักการพื้นฐานสามารถแก้ปัญหาข้างต้นได้

เมื่อไม่นานมานี้ ภายใต้การกำกับดูแลของนักวิจัย Meng Sheng นักวิจัยหลังปริญญาเอก Guan Mengxue และนักศึกษาปริญญาเอก Wang En จากกลุ่ม SF10 ของห้องปฏิบัติการหลักแห่งรัฐด้านฟิสิกส์พื้นผิว สถาบันฟิสิกส์แห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีน/ศูนย์วิจัยแห่งชาติปักกิ่งด้านฟิสิกส์สสารเข้มข้น ร่วมกับศาสตราจารย์ Sun Jiatao จากสถาบันเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้ใช้ซอฟต์แวร์จำลองพลวัตสถานะกระตุ้นที่พัฒนาขึ้นเองชื่อ TDAP เพื่อศึกษาลักษณะการตอบสนองของการกระตุ้นควาติพาร์ติเคิลต่อเลเซอร์ความเร็วสูงในสารกึ่งโลหะ Weyl ชนิดที่สอง WTe2

มีการแสดงให้เห็นว่าการกระตุ้นแบบเลือกเฉพาะของตัวพาประจุใกล้จุด Weyl นั้นถูกกำหนดโดยสมมาตรของวงโคจรอะตอมและกฎการเลือกการเปลี่ยนผ่าน ซึ่งแตกต่างจากกฎการเลือกสปินตามปกติสำหรับการกระตุ้นแบบไครัล และเส้นทางการกระตุ้นสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนทิศทางโพลาไรเซชันของแสงโพลาไรซ์เชิงเส้นและพลังงานโฟตอน (รูปที่ 2)

การกระตุ้นตัวนำแบบไม่สมมาตรทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในทิศทางต่างๆ ในพื้นที่จริง ซึ่งส่งผลต่อทิศทางและความสมมาตรของการเลื่อนระหว่างชั้นของระบบ เนื่องจากคุณสมบัติทางทอพอโลยีของ WTe2 เช่น จำนวนจุด Weyl และระดับการแยกตัวในพื้นที่โมเมนตัม ขึ้นอยู่กับความสมมาตรของระบบอย่างมาก (รูปที่ 3) การกระตุ้นตัวนำแบบไม่สมมาตรจะทำให้เกิดพฤติกรรมที่แตกต่างกันของอนุภาคกึ่ง Weyl ในพื้นที่โมเมนตัมและการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในคุณสมบัติทางทอพอโลยีของระบบ ดังนั้น การศึกษานี้จึงให้แผนภาพเฟสที่ชัดเจนสำหรับการเปลี่ยนเฟสทางทอพอโลยีด้วยแสง (รูปที่ 4)

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าควรให้ความสนใจกับไครัลลิตีของการกระตุ้นตัวนำใกล้จุดเวล์ และควรวิเคราะห์คุณสมบัติของวงโคจรอะตอมของฟังก์ชันคลื่น ผลกระทบของทั้งสองคล้ายคลึงกัน แต่กลไกแตกต่างกันอย่างชัดเจน ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการอธิบายความผิดปกติของจุดเวล์ นอกจากนี้ วิธีการคำนวณที่ใช้ในงานวิจัยนี้สามารถทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนและพฤติกรรมพลวัตในระดับอะตอมและอิเล็กตรอนในระดับเวลาที่รวดเร็วมากได้อย่างลึกซึ้ง เปิดเผยกลไกทางจุลฟิสิกส์ และคาดว่าจะเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการวิจัยในอนาคตเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางแสงแบบไม่เชิงเส้นในวัสดุเชิงทอพอโลยี

ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจากแผนงานวิจัยและพัฒนาหลักแห่งชาติ มูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ และโครงการนำร่องเชิงกลยุทธ์ (ประเภท B) ของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน

รูปที่ 1.ก. กฎการเลือกไครัลลิตีสำหรับจุดเวล์ที่มีเครื่องหมายไครัลลิตีเป็นบวก (χ=+1) ภายใต้แสงโพลาไรซ์แบบวงกลม การกระตุ้นแบบเลือกเนื่องจากสมมาตรของวงโคจรอะตอมที่จุดเวล์ของ ข. χ=+1 ในแสงโพลาไรซ์แบบออนไลน์

รูปที่ 2 แผนภาพโครงสร้างอะตอมของ a, Td-WTe2; b. โครงสร้างแถบพลังงานใกล้ผิวเฟอร์มิ; c) โครงสร้างแถบพลังงานและการมีส่วนร่วมสัมพัทธ์ของออร์บิทัลอะตอมที่กระจายตัวตามแนวเส้นสมมาตรสูงในบริเวณบริลลูอิน ลูกศร (1) และ (2) แสดงถึงการกระตุ้นใกล้หรือไกลจากจุดเวล์ ตามลำดับ; d. การขยายโครงสร้างแถบพลังงานตามทิศทางแกมมา-เอ็กซ์

รูปที่ 3.ab: แสดงการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างชั้นของทิศทางการโพลาไรซ์ของแสงเชิงเส้นตามแกน A และแกน B ของผลึก และแสดงโหมดการเคลื่อนที่ที่สอดคล้องกัน; C. การเปรียบเทียบระหว่างการจำลองทางทฤษฎีและการสังเกตเชิงทดลอง; de: วิวัฒนาการของสมมาตรของระบบ และตำแหน่ง จำนวน และระดับการแยกของจุด Weyl สองจุดที่ใกล้ที่สุดในระนาบ kz=0

รูปที่ 4. การเปลี่ยนเฟสเชิงแสงใน Td-WTe2 สำหรับพลังงานโฟตอน (ω) และทิศทางโพลาไรเซชัน (θ) ของแสงโพลาไรซ์เชิงเส้น แผนภาพเฟส