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 पदार्थों पर सैद्धांतिक और प्रायोगिक अनुसंधान एक चर्चित विषय बन गया है। पदार्थ वर्गीकरण की एक नई अवधारणा के रूप में, सममिति की तरह, टोपोलॉजिकल क्रम, संघनित पदार्थ भौतिकी में एक मूलभूत अवधारणा है। टोपोलॉजी की गहन समझ संघनित पदार्थ भौतिकी की मूलभूत समस्याओं से संबंधित है, जैसे कि टोपोलॉजी की मूल इलेक्ट्रॉनिक संरचना।क्वांटम चरणक्वांटम प्रावस्थाओं में कई स्थिर तत्वों के क्वांटम प्रावस्था संक्रमण और उत्तेजना। टोपोलॉजिकल पदार्थों में, इलेक्ट्रॉन, फोनॉन और स्पिन जैसी स्वतंत्रता की कई कोटि के बीच युग्मन, पदार्थ के गुणों को समझने और नियंत्रित करने में निर्णायक भूमिका निभाता है। प्रकाश उत्तेजना का उपयोग विभिन्न अंतःक्रियाओं के बीच अंतर करने और पदार्थ की अवस्था में हेरफेर करने के लिए किया जा सकता है, और फिर पदार्थ के मूल भौतिक गुणों, संरचनात्मक प्रावस्था संक्रमणों और नई क्वांटम अवस्थाओं के बारे में जानकारी प्राप्त की जा सकती है। वर्तमान में, प्रकाश क्षेत्र द्वारा संचालित टोपोलॉजिकल पदार्थों के स्थूल व्यवहार और उनकी सूक्ष्म परमाणु संरचना एवं इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बीच संबंध एक शोध लक्ष्य बन गया है।

टोपोलॉजिकल पदार्थों का प्रकाश-विद्युत अनुक्रिया व्यवहार उनकी सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक संरचना से निकटता से संबंधित है। टोपोलॉजिकल अर्ध-धातुओं के लिए, बैंड प्रतिच्छेदन के निकट वाहक उत्तेजन, तंत्र की तरंग फलन विशेषताओं के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होता है। टोपोलॉजिकल अर्ध-धातुओं में अरैखिक प्रकाशिक परिघटनाओं का अध्ययन हमें तंत्र की उत्तेजित अवस्थाओं के भौतिक गुणों को बेहतर ढंग से समझने में मदद कर सकता है, और यह अपेक्षित है कि इन प्रभावों का उपयोग निर्माण में किया जा सकता है।ऑप्टिकल उपकरणोंऔर सौर कोशिकाओं के डिज़ाइन में, जो भविष्य में संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोग प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, एक वेइल अर्ध-धातु में, वृत्ताकार ध्रुवीकृत प्रकाश के एक फोटॉन को अवशोषित करने से स्पिन पलट जाएगा, और कोणीय संवेग के संरक्षण को पूरा करने के लिए, वेइल शंकु के दोनों ओर इलेक्ट्रॉन उत्तेजना वृत्ताकार ध्रुवीकृत प्रकाश संचरण की दिशा में असममित रूप से वितरित होगी, जिसे किरल चयन नियम (चित्र 1) कहा जाता है।

टोपोलॉजिकल पदार्थों की अरैखिक प्रकाशीय परिघटनाओं के सैद्धांतिक अध्ययन में आमतौर पर पदार्थ की मूल अवस्था के गुणों की गणना और सममिति विश्लेषण को संयोजित करने की विधि अपनाई जाती है। हालाँकि, इस विधि में कुछ खामियाँ हैं: इसमें संवेग स्थान और वास्तविक स्थान में उत्तेजित वाहकों की वास्तविक समय की गतिशील जानकारी का अभाव है, और यह समय-समाधान प्रायोगिक संसूचन विधि के साथ सीधी तुलना स्थापित नहीं कर सकती। इलेक्ट्रॉन-फोनॉन और फोटॉन-फोनॉन के बीच युग्मन पर विचार नहीं किया जा सकता। और यह कुछ निश्चित चरण संक्रमणों के घटित होने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। इसके अतिरिक्त, विक्षोभ सिद्धांत पर आधारित यह सैद्धांतिक विश्लेषण प्रबल प्रकाश क्षेत्र के अंतर्गत भौतिक प्रक्रियाओं से निपट नहीं सकता। प्रथम सिद्धांतों पर आधारित समय-निर्भर घनत्व कार्यात्मक आणविक गतिकी (TDDFT-MD) सिमुलेशन उपरोक्त समस्याओं का समाधान कर सकता है।

हाल ही में, चीनी विज्ञान अकादमी/बीजिंग राष्ट्रीय सांद्रित पदार्थ भौतिकी अनुसंधान केंद्र के भौतिक विज्ञान संस्थान के भूतल भौतिकी की राज्य प्रमुख प्रयोगशाला के SF10 समूह के शोधकर्ता मेंग शेंग, पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता गुआन मेंगक्सू और डॉक्टरेट छात्र वांग एन के मार्गदर्शन में, बीजिंग प्रौद्योगिकी संस्थान के प्रोफेसर सुन जियाताओ के सहयोग से, उन्होंने स्व-विकसित उत्तेजित अवस्था गतिकी सिमुलेशन सॉफ्टवेयर TDAP का उपयोग किया। दूसरे प्रकार के वेइल अर्ध-धातु WTe2 में अति तीव्र लेज़र के प्रति क्वास्टिपार्टिकल उत्तेजन की अनुक्रिया विशेषताओं का अध्ययन किया गया।

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 उत्तेजन वास्तविक अंतरिक्ष में विभिन्न दिशाओं में प्रकाशधाराओं को प्रेरित करता है, जो तंत्र के अंतरपरतीय सर्पण की दिशा और समरूपता को प्रभावित करता है। चूँकि WTe2 के टोपोलॉजिकल गुण, जैसे कि वेइल बिंदुओं की संख्या और संवेग स्थान में पृथक्करण की मात्रा, तंत्र की समरूपता (चित्र 3) पर अत्यधिक निर्भर हैं, वाहकों का असममित उत्तेजन संवेग स्थान में वेइल क्वास्टिपार्टिकल्स के भिन्न व्यवहार और तंत्र के टोपोलॉजिकल गुणों में संगत परिवर्तन लाएगा। इस प्रकार, यह अध्ययन प्रकाशटोपोलॉजिकल प्रावस्था संक्रमणों के लिए एक स्पष्ट प्रावस्था आरेख प्रदान करता है (चित्र 4)।

परिणाम दर्शाते हैं कि वेइल बिंदु के निकट वाहक उत्तेजन की चिरलता पर ध्यान दिया जाना चाहिए, और तरंग फलन के परमाण्विक कक्षीय गुणों का विश्लेषण किया जाना चाहिए। दोनों के प्रभाव समान हैं, लेकिन क्रियाविधि स्पष्ट रूप से भिन्न है, जो वेइल बिंदुओं की विलक्षणता की व्याख्या के लिए एक सैद्धांतिक आधार प्रदान करती है। इसके अतिरिक्त, इस अध्ययन में अपनाई गई संगणनात्मक विधि अत्यंत तीव्र समय-सीमा में परमाण्विक और इलेक्ट्रॉनिक स्तरों पर जटिल अंतःक्रियाओं और गतिज व्यवहारों को गहराई से समझ सकती है, उनके सूक्ष्मभौतिक क्रियाविधि को प्रकट कर सकती है, और यह टोपोलॉजिकल पदार्थों में अरैखिक प्रकाशीय परिघटनाओं पर भविष्य के शोध के लिए एक शक्तिशाली उपकरण होने की उम्मीद है।

ये परिणाम नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में प्रकाशित हुए हैं। इस शोध कार्य को राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान एवं विकास योजना, राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान प्रतिष्ठान और चीनी विज्ञान अकादमी की रणनीतिक पायलट परियोजना (श्रेणी बी) का समर्थन प्राप्त है।

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

चित्र 2. a, Td-WTe2 का परमाणु संरचना आरेख; b. फर्मी सतह के पास बैंड संरचना; (c) ब्रिलॉइन 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-X दिशा के साथ बैंड संरचना का प्रवर्धन

चित्र 3.ab: क्रिस्टल के A-अक्ष और B-अक्ष के अनुदिश रैखिक ध्रुवीकृत प्रकाश ध्रुवीकरण दिशा की सापेक्ष अंतरपरत गति, और संगत गति मोड को दर्शाया गया है; C. सैद्धांतिक अनुकरण 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