लेज़रों द्वारा नियंत्रित वेइल क्वासिपार्टिकल्स की अति तीव्र गति के अध्ययन में प्रगति हुई है

द्वारा नियंत्रित वेइल क्वासिपार्टिकल्स की अति तीव्र गति के अध्ययन में प्रगति हुई है।पराबैंगनीकिरण

हाल के वर्षों में, संघनित पदार्थ भौतिकी के क्षेत्र में टोपोलॉजिकल क्वांटम अवस्थाओं और टोपोलॉजिकल क्वांटम सामग्रियों पर सैद्धांतिक और प्रायोगिक अनुसंधान एक गर्म विषय बन गया है। पदार्थ वर्गीकरण की एक नई अवधारणा के रूप में, समरूपता की तरह टोपोलॉजिकल ऑर्डर संघनित पदार्थ भौतिकी में एक मौलिक अवधारणा है। टोपोलॉजी की गहरी समझ संघनित पदार्थ भौतिकी में बुनियादी समस्याओं से संबंधित है, जैसे कि मूल इलेक्ट्रॉनिक संरचनाक्वांटम चरणक्वांटम चरण संक्रमण और क्वांटम चरणों में कई स्थिर तत्वों का उत्तेजना। टोपोलॉजिकल सामग्रियों में, इलेक्ट्रॉनों, फोनोन और स्पिन जैसे कई स्वतंत्रता की डिग्री के बीच युग्मन, सामग्री के गुणों को समझने और विनियमित करने में निर्णायक भूमिका निभाता है। प्रकाश उत्तेजना का उपयोग विभिन्न अंतःक्रियाओं के बीच अंतर करने और पदार्थ की स्थिति में हेरफेर करने के लिए किया जा सकता है, और फिर सामग्री के बुनियादी भौतिक गुणों, संरचनात्मक चरण संक्रमण और नई क्वांटम अवस्थाओं के बारे में जानकारी प्राप्त की जा सकती है। वर्तमान में, प्रकाश क्षेत्र द्वारा संचालित टोपोलॉजिकल सामग्रियों के मैक्रोस्कोपिक व्यवहार और उनकी सूक्ष्म परमाणु संरचना और इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बीच संबंध एक शोध लक्ष्य बन गया है।

टोपोलॉजिकल सामग्रियों का फोटोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया व्यवहार इसकी सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक संरचना से निकटता से संबंधित है। टोपोलॉजिकल अर्ध-धातुओं के लिए, बैंड चौराहे के पास वाहक उत्तेजना प्रणाली की तरंग फ़ंक्शन विशेषताओं के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। टोपोलॉजिकल अर्ध-धातुओं में गैर-रेखीय ऑप्टिकल घटनाओं का अध्ययन हमें सिस्टम की उत्तेजित अवस्थाओं के भौतिक गुणों को बेहतर ढंग से समझने में मदद कर सकता है, और यह उम्मीद की जाती है कि इन प्रभावों का उपयोग निर्माण में किया जा सकता हैऑप्टिकल उपकरणऔर सौर कोशिकाओं के डिजाइन, भविष्य में संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोग प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, एक वेइल अर्ध-धातु में, गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश के एक फोटॉन को अवशोषित करने से स्पिन पलट जाएगा, और कोणीय गति के संरक्षण को पूरा करने के लिए, वेइल शंकु के दोनों किनारों पर इलेक्ट्रॉन उत्तेजना गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश प्रसार की दिशा में असममित रूप से वितरित की जाएगी, जिसे चिरल चयन नियम (चित्र 1) कहा जाता है।

टोपोलॉजिकल सामग्रियों की गैर-रेखीय ऑप्टिकल घटनाओं का सैद्धांतिक अध्ययन आमतौर पर सामग्री की जमीनी अवस्था के गुणों की गणना और समरूपता विश्लेषण के संयोजन की विधि को अपनाता है। हालाँकि, इस पद्धति में कुछ दोष हैं: इसमें गति स्थान और वास्तविक स्थान में उत्तेजित वाहकों की वास्तविक समय की गतिशील जानकारी का अभाव है, और यह समय-समाधान प्रयोगात्मक पहचान विधि के साथ सीधी तुलना स्थापित नहीं कर सकता है। इलेक्ट्रॉन-फोनोन और फोटॉन-फोनोन के बीच युग्मन पर विचार नहीं किया जा सकता है। और यह कुछ निश्चित चरण संक्रमणों के होने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, गड़बड़ी सिद्धांत पर आधारित यह सैद्धांतिक विश्लेषण मजबूत प्रकाश क्षेत्र के तहत भौतिक प्रक्रियाओं से निपट नहीं सकता है। पहले सिद्धांतों पर आधारित समय-निर्भर घनत्व कार्यात्मक आणविक गतिशीलता (TDDFT-MD) सिमुलेशन उपरोक्त समस्याओं को हल कर सकता है।

हाल ही में, चीनी विज्ञान अकादमी/बीजिंग नेशनल रिसर्च सेंटर फॉर कंसंट्रेटेड मैटर फिजिक्स के भौतिकी संस्थान के स्टेट की लेबोरेटरी ऑफ सरफेस फिजिक्स के एसएफ 10 ग्रुप के शोधकर्ता मेंग शेंग, पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता गुआन मेंगक्सू और डॉक्टरेट छात्र वांग एन के मार्गदर्शन में, बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर सन जियाताओ के सहयोग से, उन्होंने स्व-विकसित उत्तेजित अवस्था गतिकी सिमुलेशन सॉफ्टवेयर टीडीएपी का उपयोग किया। दूसरे प्रकार के वेइल सेमी-मेटल WTe2 में अल्ट्राफास्ट लेजर के लिए क्वास्टिपार्टिकल उत्तेजना की प्रतिक्रिया विशेषताओं की जांच की जाती है।

यह दिखाया गया है कि वेइल बिंदु के पास वाहकों का चयनात्मक उत्तेजना परमाणु कक्षीय समरूपता और संक्रमण चयन नियम द्वारा निर्धारित किया जाता है, जो कि चिरल उत्तेजना के लिए सामान्य स्पिन चयन नियम से अलग है, और इसके उत्तेजना पथ को रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश और फोटॉन ऊर्जा के ध्रुवीकरण दिशा को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है (चित्र 2)।

वाहकों का असममित उत्तेजना वास्तविक अंतरिक्ष में विभिन्न दिशाओं में फोटोकरंट को प्रेरित करता है, जो सिस्टम की इंटरलेयर स्लिप की दिशा और समरूपता को प्रभावित करता है। चूंकि WTe2 के टोपोलॉजिकल गुण, जैसे कि वेइल बिंदुओं की संख्या और गति अंतरिक्ष में पृथक्करण की डिग्री, सिस्टम की समरूपता (चित्र 3) पर अत्यधिक निर्भर हैं, इसलिए वाहकों का असममित उत्तेजना गति अंतरिक्ष में वेइल क्वास्टिपार्टिकल्स के विभिन्न व्यवहार और सिस्टम के टोपोलॉजिकल गुणों में संबंधित परिवर्तन लाएगा। इस प्रकार, अध्ययन फोटोटोपोलॉजिकल चरण संक्रमण (चित्र 4) के लिए एक स्पष्ट चरण आरेख प्रदान करता है।

परिणाम दर्शाते हैं कि वेइल बिंदु के निकट वाहक उत्तेजना की चिरलिटी पर ध्यान दिया जाना चाहिए, तथा तरंग फ़ंक्शन के परमाणु कक्षीय गुणों का विश्लेषण किया जाना चाहिए। दोनों के प्रभाव समान हैं, लेकिन तंत्र स्पष्ट रूप से भिन्न है, जो वेइल बिंदुओं की विलक्षणता को समझाने के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करता है। इसके अलावा, इस अध्ययन में अपनाई गई कम्प्यूटेशनल विधि सुपर-फास्ट टाइम स्केल में परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक स्तरों पर जटिल अंतःक्रियाओं और गतिशील व्यवहारों को गहराई से समझ सकती है, उनके सूक्ष्म भौतिक तंत्रों को प्रकट कर सकती है, तथा टोपोलॉजिकल सामग्रियों में गैर-रेखीय ऑप्टिकल घटनाओं पर भविष्य के शोध के लिए एक शक्तिशाली उपकरण होने की उम्मीद है।

इसके नतीजे नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं। इस शोध कार्य को राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान एवं विकास योजना, राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन और चीनी विज्ञान अकादमी के रणनीतिक पायलट प्रोजेक्ट (श्रेणी बी) द्वारा समर्थन दिया गया है।

चित्र 1.a. वृत्ताकार ध्रुवीकृत प्रकाश के अंतर्गत धनात्मक चिरैलिटी चिह्न (χ=+1) वाले वेइल बिंदुओं के लिए चिरैलिटी चयन नियम; ऑन-लाइन ध्रुवीकृत प्रकाश में b. χ=+1 के वेइल बिंदु पर परमाणु कक्षीय समरूपता के कारण चयनात्मक उत्तेजना

चित्र 2. a, Td-WTe2 का परमाणु संरचना आरेख; b. फर्मी सतह के पास बैंड संरचना; (c) ब्रिलोइन क्षेत्र में उच्च सममित रेखाओं के साथ वितरित परमाणु कक्षाओं की बैंड संरचना और सापेक्ष योगदान, तीर (1) और (2) क्रमशः वेइल बिंदुओं के पास या दूर उत्तेजना को दर्शाते हैं; d. गामा-एक्स दिशा के साथ बैंड संरचना का प्रवर्धन

चित्र 3.ab: क्रिस्टल के A-अक्ष और B-अक्ष के साथ रैखिक ध्रुवीकृत प्रकाश ध्रुवीकरण दिशा की सापेक्ष अंतरपरत गति, और संगत गति मोड को चित्रित किया गया है; C. सैद्धांतिक सिमुलेशन और प्रायोगिक अवलोकन के बीच तुलना; de: प्रणाली का सममिति विकास और kz=0 तल में दो निकटतम वेइल बिंदुओं की स्थिति, संख्या और पृथक्करण की डिग्री

चित्र 4. रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश फोटॉन ऊर्जा (?) ω) और ध्रुवीकरण दिशा (θ) पर निर्भर चरण आरेख के लिए Td-WTe2 में फोटोटोपोलॉजिकल चरण संक्रमण