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

द्वारा नियंत्रित वेइल क्वासिपार्टिकल्स की अल्ट्राफास्ट गति के अध्ययन में प्रगति हुई हैपराबैंगनीकिरण

हाल के वर्षों में, टोपोलॉजिकल क्वांटम अवस्थाओं और टोपोलॉजिकल क्वांटम सामग्रियों पर सैद्धांतिक और प्रायोगिक अनुसंधान संघनित पदार्थ भौतिकी के क्षेत्र में एक गर्म विषय बन गया है। पदार्थ वर्गीकरण की एक नई अवधारणा के रूप में, टोपोलॉजिकल ऑर्डर, समरूपता की तरह, संघनित पदार्थ भौतिकी में एक मौलिक अवधारणा है। टोपोलॉजी की गहरी समझ संघनित पदार्थ भौतिकी में बुनियादी समस्याओं से संबंधित है, जैसे कि बुनियादी इलेक्ट्रॉनिक संरचनाक्वांटम चरण, क्वांटम चरण संक्रमण और क्वांटम चरणों में कई स्थिर तत्वों का उत्तेजना। टोपोलॉजिकल सामग्रियों में, स्वतंत्रता की कई डिग्री, जैसे कि इलेक्ट्रॉन, फोनन और स्पिन के बीच युग्मन, भौतिक 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 नए क्वांटम राज्यों के बारे में जानकारी प्राप्त की जा सकती है। वर्तमान में, प्रकाश क्षेत्र द्वारा संचालित टोपोलॉजिकल सामग्रियों के स्थूल 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 सेमी-मेटल्स के लिए, बैंड चौराहे के पास वाहक उत्तेजना सिस्टम की तरंग फ़ंक्शन विशेषताओं के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है। टोपोलॉजिकल सेमी-मेटल्स में नॉनलाइनियर ऑप्टिकल घटना 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 का डिज़ाइन, जो भविष्य में संभावित व्यावहारिक अनुप्रयोग प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, वेइल सेमी-मेटल में, गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश के एक फोटॉन को अवशोषित करने से स्पिन पलट जाएगी, और कोणीय गति के संरक्षण को पूरा करने के लिए, वेइल शंकु के दोनों किनारों पर इलेक्ट्रॉन उत्तेजना को असममित रूप से वितरित किया जाएगा गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश प्रसार की दिशा, जिसे चिरल चयन नियम कहा जाता है (चित्र 1)।

टोपोलॉजिकल सामग्रियों की गैर-रेखीय ऑप्टिकल घटना का सैद्धांतिक अध्ययन आमतौर पर सामग्री की जमीनी स्थिति गुणों की गणना और समरूपता विश्लेषण के संयोजन की विधि को अपनाता है। हालाँकि, इस विधि में कुछ दोष हैं: इसमें गति स्थान और वास्तविक स्थान में उत्साहित 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-फोनन और फोटॉन-फोनन के बीच युग्मन पर विचार नहीं किया जा सकता है। और यह कुछ चरण परिवर्तन 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 (टीडीडीएफटी-एमडी) सिमुलेशन उपरोक्त समस्याओं को हल कर सकता है।

हाल ही में, शोधकर्ता मेंग शेंग, पोस्टडॉक्टरल शोधकर्ता गुआन मेंगक्सू और डॉक्टरेट छात्र वांग एन के मार्गदर्शन में, चाइनीज एकेडमी ऑफ साइंसेज/बीजिंग नेशनल रिसर्च सेंटर फॉर कॉन्सेंट्रेटेड मैटर के भौतिक विज्ञान संस्थान के भूतल भौतिकी के राज्य कुंजी प्रयोगशाला के एसएफ 10 समूह के भौतिकी, बीजिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के प्रोफेसर सन जियाताओ के सहयोग से, उन्होंने स्व-विकसित उत्साहित राज्य गतिशीलता 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 ध्रुवीकरण दिशा को बदलकर नियंत्रित किया जा सकता है रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश और फोटॉन ऊर्जा (चित्र 2)।

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

नतीजे बताते हैं कि वेइल बिंदु के पास वाहक उत्तेजना की चिरलिटी पर ध्यान दिया जाना चाहिए, और 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 इंटरैक्शन और गतिशील व्यवहारों को गहराई से समझ सकती है, उनके माइक्रोफिजिकल तंत्र को प्रकट कर सकती है, और भविष्य के शोध के लिए एक शक्तिशाली उपकरण होने की उम्मीद है टोपोलॉजिकल सामग्रियों में नॉनलाइनियर ऑप्टिकल घटनाएँ।

परिणाम नेचर कम्युनिकेशंस पत्रिका में हैं। शोध कार्य राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान और विकास योजना, राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन और चीनी विज्ञान अकादमी के रणनीतिक पायलट प्रोजेक्ट (श्रेणी बी) द्वारा समर्थित है।

चित्र.1.ए. गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाश के तहत सकारात्मक चिरलिटी चिह्न (χ=+1) के साथ वेइल बिंदुओं के लिए चिरलिटी चयन नियम; बी के वेइल बिंदु पर परमाणु कक्षीय समरूपता के कारण चयनात्मक उत्तेजना। ऑन-लाइन ध्रुवीकृत प्रकाश में χ=+1

अंजीर। 2. ए, टीडी-डब्ल्यूटीई2 का परमाणु संरचना आरेख; बी। फर्मी सतह के पास बैंड संरचना; (सी) 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 निकट या दूर उत्तेजना का प्रतिनिधित्व करते हैं; डी। गामा-एक्स दिशा के साथ बैंड संरचना का प्रवर्धन

FIG.3.ab: क्रिस्टल के ए-अक्ष और बी-अक्ष के साथ रैखिक रूप से ध्रुवीकृत प्रकाश ध्रुवीकरण दिशा के सापेक्ष इंटरलेयर आंदोलन और संबंधित आंदोलन मोड को चित्रित किया गया है; सी. सैद्धांतिक अनुकरण और प्रयोगात्मक अवलोकन के बीच तुलना; डी: सिस्टम का समरूपता विकास और केजेड = 0 विमान में दो निकटतम वेइल बिंदुओं की स्थिति, संख्या और पृथक्करण की डिग्री

अंजीर। 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