პროგრესი მიღწეულია ლაზერების მიერ კონტროლირებადი ვეილის კვაზინაწილაკების ულტრასწრაფი მოძრაობის შესწავლაში.

პროგრესი მიღწეულია ვეილის კვაზინაწილაკების ულტრასწრაფი მოძრაობის შესწავლაში, რომელსაც აკონტროლებსლაზერები

ბოლო წლების განმავლობაში, ტოპოლოგიური კვანტური მდგომარეობებისა და ტოპოლოგიური კვანტური მასალების თეორიული და ექსპერიმენტული კვლევა გახდა მწვავე თემა შედედებული მატერიის ფიზიკის სფეროში. როგორც მატერიის კლასიფიკაციის ახალი კონცეფცია, ტოპოლოგიური წესრიგი, ისევე როგორც სიმეტრია, ფუნდამენტური კონცეფციაა შედედებული მატერიის ფიზიკაში. ტოპოლოგიის ღრმა გაგება დაკავშირებულია შედედებული მატერიის ფიზიკის ძირითად პრობლემებთან, როგორიცაა ძირითადი ელექტრონული სტრუქტურა.კვანტური ფაზები, კვანტური ფაზის გადასვლები და მრავალი იმობილიზებული ელემენტის აგზნება კვანტურ ფაზებში. ტოპოლოგიურ მასალებში, დაწყვილება თავისუფლების მრავალ ხარისხს შორის, როგორიცაა ელექტრონები, ფონონები და სპინი, გადამწყვეტ როლს თამაშობს მასალის თვისებების გაგებაში და რეგულირებაში. სინათლის აგზნება შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა ურთიერთქმედების გასარჩევად და მატერიის მდგომარეობის მანიპულირებისთვის, ხოლო მასალის ძირითადი ფიზიკური თვისებების, სტრუქტურული ფაზის გადასვლებისა და ახალი კვანტური მდგომარეობის შესახებ ინფორმაციის მიღება შესაძლებელია. ამჟამად, ტოპოლოგიური მასალების მაკროსკოპული ქცევის კავშირი სინათლის ველით და მათი მიკროსკოპული ატომური სტრუქტურა და ელექტრონული თვისებები გახდა კვლევის მიზანი.

ტოპოლოგიური მასალების ფოტოელექტრული რეაგირების ქცევა მჭიდრო კავშირშია მის მიკროსკოპულ ელექტრონულ სტრუქტურასთან. ტოპოლოგიური ნახევრად ლითონებისთვის, მატარებლის აგზნება ზოლის კვეთასთან ახლოს არის ძალიან მგრძნობიარე სისტემის ტალღური ფუნქციის მახასიათებლების მიმართ. ტოპოლოგიურ ნახევრად ლითონებში არაწრფივი ოპტიკური ფენომენების შესწავლა დაგვეხმარება უკეთ გავიგოთ სისტემის აღგზნებული მდგომარეობების ფიზიკური თვისებები და მოსალოდნელია, რომ ეს ეფექტები შეიძლება გამოყენებულ იქნას წარმოებაში.ოპტიკური მოწყობილობებიდა მზის უჯრედების დიზაინი, რომელიც უზრუნველყოფს პოტენციურ პრაქტიკულ გამოყენებას მომავალში. მაგალითად, ვეილის ნახევრად მეტალში, წრიულად პოლარიზებული სინათლის ფოტონის შთანთქმა გამოიწვევს სპინის გადატრიალებას და კუთხური იმპულსის კონსერვაციის დასაკმაყოფილებლად, ვეილის კონუსის ორივე მხარეს ელექტრონის აგზნება ასიმეტრიულად იქნება განაწილებული. წრიულად პოლარიზებული სინათლის გავრცელების მიმართულება, რომელსაც ქირალური შერჩევის წესი ეწოდება (სურათი 1).

ტოპოლოგიური მასალების არაწრფივი ოპტიკური ფენომენების თეორიული შესწავლა ჩვეულებრივ იყენებს მასალის ძირითადი მდგომარეობის თვისებების გამოთვლისა და სიმეტრიის ანალიზის გაერთიანების მეთოდს. თუმცა, ამ მეთოდს აქვს გარკვეული ხარვეზები: მას აკლია რეალურ დროში დინამიური ინფორმაცია აღგზნებული მატარებლების იმპულსის სივრცეში და რეალურ სივრცეში და არ შეუძლია პირდაპირი შედარება დროში გადაწყვეტილ ექსპერიმენტულ გამოვლენის მეთოდთან. ელექტრონ-ფონონებსა და ფოტონ-ფონონებს შორის შეერთება არ შეიძლება ჩაითვალოს. და ეს გადამწყვეტია გარკვეული ფაზის გადასვლებისთვის. გარდა ამისა, ეს თეორიული ანალიზი, რომელიც დაფუძნებულია პერტურბაციის თეორიაზე, არ შეუძლია გაუმკლავდეს ფიზიკურ პროცესებს ძლიერი სინათლის ველის ქვეშ. დროზე დამოკიდებული სიმკვრივის ფუნქციური მოლეკულური დინამიკის (TDDFT-MD) სიმულაცია პირველ პრინციპებზე დაყრდნობით შეუძლია ზემოაღნიშნული პრობლემების გადაჭრას.

ცოტა ხნის წინ, მკვლევარის მენ შენგის, პოსტდოქტორანტის გუან მენგსუეს და დოქტორანტის ვანგ ენის ხელმძღვანელობით ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის ფიზიკის ინსტიტუტის/პეკინის კონცენტრირებული მატერიის ეროვნული კვლევის ცენტრის ზედაპირული ფიზიკის სახელმწიფო საკვანძო ლაბორატორიის SF10 ჯგუფიდან. ფიზიკამ, პეკინის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის პროფესორ სუნ ჯიატაოსთან თანამშრომლობით, მათ გამოიყენეს თვითგანვითარებული აგზნებული მდგომარეობის დინამიკის სიმულაციური პროგრამა TDAP. გამოკვლეულია კვასტინაწილაკების აგზნების საპასუხო მახასიათებლები ულტრასწრაფ ლაზერზე Weyl-ის ნახევრადმეტალის WTe2-ის მეორე სახეობაში.

ნაჩვენებია, რომ ვეილის წერტილის მახლობლად მატარებლების შერჩევითი აგზნება განისაზღვრება ატომური ორბიტალური სიმეტრიით და გარდამავალი შერჩევის წესით, რომელიც განსხვავდება ქირალური აგზნების ჩვეულებრივი სპინის შერჩევის წესისგან და მისი აგზნების ბილიკის კონტროლი შესაძლებელია პოლარიზაციის მიმართულების შეცვლით. ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლისა და ფოტონის ენერგიის (ნახ. 2).

მატარებლების ასიმეტრიული აგზნება იწვევს ფოტოდინებას სხვადასხვა მიმართულებით რეალურ სივრცეში, რაც გავლენას ახდენს სისტემის შრეთაშორისი სრიალის მიმართულებასა და სიმეტრიაზე. ვინაიდან WTe2-ის ტოპოლოგიური თვისებები, როგორიცაა ვეილის წერტილების რაოდენობა და განცალკევების ხარისხი იმპულსის სივრცეში, დიდად არის დამოკიდებული სისტემის სიმეტრიაზე (სურათი 3), მატარებლების ასიმეტრიული აგზნება გამოიწვევს ვეილის განსხვავებულ ქცევას. კვასტინაწილაკები იმპულსის სივრცეში და შესაბამისი ცვლილებები სისტემის ტოპოლოგიურ თვისებებში. ამრიგად, კვლევა იძლევა მკაფიო ფაზის დიაგრამას ფოტოტოპოლოგიური ფაზის გადასვლებისთვის (სურათი 4).

შედეგები აჩვენებს, რომ ყურადღება უნდა მიექცეს ვეილის წერტილთან მატარებლის აგზნების ქირალობას და გაანალიზდეს ტალღის ფუნქციის ატომური ორბიტალური თვისებები. ორივეს ეფექტი მსგავსია, მაგრამ მექანიზმი აშკარად განსხვავებულია, რაც თეორიულ საფუძველს იძლევა ვეილის წერტილების სინგულარობის ასახსნელად. გარდა ამისა, ამ კვლევაში მიღებულ გამოთვლით მეთოდს შეუძლია ღრმად გაიგოს კომპლექსური ურთიერთქმედება და დინამიური ქცევები ატომურ და ელექტრონულ დონეზე სუპერ სწრაფი დროის მასშტაბით, გამოავლინოს მათი მიკროფიზიკური მექანიზმები და, სავარაუდოდ, მძლავრი ინსტრუმენტი იქნება მომავალი კვლევისთვის. არაწრფივი ოპტიკური მოვლენები ტოპოლოგიურ მასალებში.

შედეგები ჟურნალ Nature Communications-შია. კვლევით სამუშაოს მხარს უჭერს ეროვნული საკვანძო კვლევისა და განვითარების გეგმა, ეროვნული საბუნებისმეტყველო ფონდი და ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის სტრატეგიული საპილოტე პროექტი (კატეგორია B).

ნახ.1.ა. ქირალურობის შერჩევის წესი ვეილის წერტილებისთვის დადებითი ქირალობის ნიშნით (χ=+1) წრიულ პოლარიზებულ შუქზე; შერჩევითი აგზნება ატომური ორბიტალური სიმეტრიის გამო b-ის ვეილის წერტილში. χ=+1 ონლაინ პოლარიზებულ შუქზე

ნახ. 2. a, Td-WTe2-ის ატომური სტრუქტურის დიაგრამა; ბ. ზოლის სტრუქტურა ფერმის ზედაპირთან ახლოს; (c) ატომური ორბიტალების ზოლის სტრუქტურა და შედარებითი წვლილი, რომლებიც განაწილებულია ბრილუინის რეგიონში მაღალი სიმეტრიული ხაზების გასწვრივ, ისრები (1) და (2) წარმოადგენენ აგზნებას, შესაბამისად, ვეილის წერტილებთან ახლოს ან შორს; დ. ზოლის სტრუქტურის გაძლიერება გამა-X მიმართულებით

სურ.3.აბ: ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლის პოლარიზაციის მიმართულების ფარდობითი შუალედური მოძრაობა ბროლის A-ღერძისა და B-ღერძის გასწვრივ და შესაბამისი მოძრაობის რეჟიმი ილუსტრირებულია; გ. თეორიული სიმულაციისა და ექსპერიმენტული დაკვირვების შედარება; de: სისტემის სიმეტრიის ევოლუცია და ვეილის ორი უახლოესი წერტილის განცალკევების პოზიცია, რაოდენობა და ხარისხი kz=0 სიბრტყეში.

ნახ. 4. ფოტოტოპოლოგიური ფაზის გადასვლა Td-WTe2-ში ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლის ფოტონის ენერგიის (?) ω) და პოლარიზაციის მიმართულების (θ) დამოკიდებული ფაზის დიაგრამაზე