ლაზერებით კონტროლირებადი ვეილის კვაზინაწილაკების ულტრასწრაფი მოძრაობის შესწავლაში პროგრესი იქნა მიღწეული.

პროგრესი იქნა მიღწეული ვეილის კვაზინაწილაკების ულტრასწრაფი მოძრაობის შესწავლაში, რომელსაც აკონტროლებსლაზერები

ბოლო წლებში, ტოპოლოგიური კვანტური მდგომარეობებისა და ტოპოლოგიური კვანტური მასალების თეორიული და ექსპერიმენტული კვლევა კონდენსირებული მატერიის ფიზიკის სფეროში ცხელ თემად იქცა. მატერიის კლასიფიკაციის ახალი კონცეფციის სახით, ტოპოლოგიური წესრიგი, ისევე როგორც სიმეტრია, კონდენსირებული მატერიის ფიზიკის ფუნდამენტური კონცეფციაა. ტოპოლოგიის ღრმა გაგება დაკავშირებულია კონდენსირებული მატერიის ფიზიკის ძირითად პრობლემებთან, როგორიცაა ნივთიერების ძირითადი ელექტრონული სტრუქტურა.კვანტური ფაზები, კვანტური ფაზური გადასვლები და კვანტურ ფაზებში მრავალი იმობილიზებული ელემენტის აგზნება. ტოპოლოგიურ მასალებში, თავისუფლების მრავალი ხარისხის, როგორიცაა ელექტრონები, ფონონები და სპინი, შეწყვილება გადამწყვეტ როლს ასრულებს მასალის თვისებების გაგებასა და რეგულირებაში. სინათლის აგზნება შეიძლება გამოყენებულ იქნას სხვადასხვა ურთიერთქმედების განასხვავებლად და მატერიის მდგომარეობის მანიპულირებისთვის, რის შემდეგაც შესაძლებელია მასალის ძირითადი ფიზიკური თვისებების, სტრუქტურული ფაზური გადასვლების და ახალი კვანტური მდგომარეობების შესახებ ინფორმაციის მიღება. ამჟამად, სინათლის ველით გამოწვეული ტოპოლოგიური მასალების მაკროსკოპული ქცევისა და მათი მიკროსკოპული ატომური სტრუქტურისა და ელექტრონული თვისებების ურთიერთკავშირი კვლევის მიზანი გახდა.

ტოპოლოგიური მასალების ფოტოელექტრული რეაქციის ქცევა მჭიდრო კავშირშია მის მიკროსკოპულ ელექტრონულ სტრუქტურასთან. ტოპოლოგიური ნახევარლითონებისთვის, ზოლების გადაკვეთასთან ახლოს გადამტანის აგზნება ძალიან მგრძნობიარეა სისტემის ტალღური ფუნქციის მახასიათებლების მიმართ. ტოპოლოგიურ ნახევარლითონებში არაწრფივი ოპტიკური მოვლენების შესწავლა დაგვეხმარება სისტემის აღგზნებული მდგომარეობების ფიზიკური თვისებების უკეთ გაგებაში და მოსალოდნელია, რომ ეს ეფექტები შეიძლება გამოყენებულ იქნას წარმოებაში.ოპტიკური მოწყობილობებიდა მზის უჯრედების დიზაინი, რაც მომავალში პოტენციურ პრაქტიკულ გამოყენებას უზრუნველყოფს. მაგალითად, ვეილის ნახევარლითონში, წრიულად პოლარიზებული სინათლის ფოტონის შთანთქმა გამოიწვევს ბრუნვის შეცვლას და კუთხური იმპულსის შენახვის წესის დასაკმაყოფილებლად, ვეილის კონუსის ორივე მხარეს ელექტრონული აგზნება ასიმეტრიულად განაწილდება წრიულად პოლარიზებული სინათლის გავრცელების მიმართულებით, რასაც ქირალური შერჩევის წესი ეწოდება (სურათი 1).

ტოპოლოგიური მასალების არაწრფივი ოპტიკური მოვლენების თეორიული შესწავლა, როგორც წესი, იყენებს მასალის ძირითადი მდგომარეობის თვისებების გამოთვლისა და სიმეტრიის ანალიზის გაერთიანების მეთოდს. თუმცა, ამ მეთოდს აქვს გარკვეული ნაკლოვანებები: მას არ გააჩნია აღგზნებული მატარებლების რეალურ დროში დინამიური ინფორმაცია იმპულსის სივრცესა და რეალურ სივრცეში და ვერ ახერხებს პირდაპირი შედარების დამყარებას დროში გადაჭრილ ექსპერიმენტულ აღმოჩენის მეთოდთან. ელექტრონ-ფონონებსა და ფოტონ-ფონონებს შორის დაწყვილება არ შეიძლება განხილული იქნას. და ეს გადამწყვეტია გარკვეული ფაზური გადასვლების წარმოსაჩენად. გარდა ამისა, პერტურბაციის თეორიაზე დაფუძნებული ეს თეორიული ანალიზი ვერ განიხილავს ფიზიკურ პროცესებს ძლიერი სინათლის ველის ქვეშ. პირველ პრინციპებზე დაფუძნებული დროზე დამოკიდებული სიმკვრივის ფუნქციური მოლეკულური დინამიკის (TDDFT-MD) სიმულაციას შეუძლია გადაჭრას ზემოთ ჩამოთვლილი პრობლემები.

ცოტა ხნის წინ, ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის ფიზიკის ინსტიტუტის/კონცენტრირებული მატერიის ფიზიკის პეკინის ეროვნული კვლევითი ცენტრის ზედაპირული ფიზიკის სახელმწიფო საკვანძო ლაბორატორიის SF10 ჯგუფის მკვლევარ მენგ შენგის, პოსტდოქტორანტი მკვლევარის გუან მენგსუეს და დოქტორანტის ვანგ ენის ხელმძღვანელობით, პეკინის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის პროფესორ სუნ ჯიატაოსთან თანამშრომლობით, მათ გამოიყენეს აღგზნებული მდგომარეობის დინამიკის სიმულაციის თვითშემუშავებული პროგრამული უზრუნველყოფა TDAP. გამოკვლეულია კვასტინაწილაკების აგზნების რეაქციის მახასიათებლები ულტრასწრაფ ლაზერზე ვეილის ნახევარლითონ WTe2-ის მეორე სახეობაში.

ნაჩვენებია, რომ ვეილის წერტილთან ახლოს მატარებლების შერჩევითი აგზნება განისაზღვრება ატომური ორბიტალური სიმეტრიითა და გარდამავალი შერჩევის წესით, რომელიც განსხვავდება ქირალური აგზნების ჩვეულებრივი სპინის შერჩევის წესისგან და მისი აგზნების გზის კონტროლი შესაძლებელია წრფივად პოლარიზებული სინათლისა და ფოტონის ენერგიის პოლარიზაციის მიმართულების შეცვლით (სურ. 2).

მატარებლების ასიმეტრიული აგზნება რეალურ სივრცეში სხვადასხვა მიმართულებით ფოტოდენებს იწვევს, რაც გავლენას ახდენს სისტემის შრეთაშორისი სრიალის მიმართულებასა და სიმეტრიაზე. ვინაიდან WTe2-ის ტოპოლოგიური თვისებები, როგორიცაა ვეილის წერტილების რაოდენობა და იმპულსის სივრცეში განცალკევების ხარისხი, მნიშვნელოვნად არის დამოკიდებული სისტემის სიმეტრიაზე (სურათი 3), მატარებლების ასიმეტრიული აგზნება გამოიწვევს ვეილის კვასტინაწილაკების განსხვავებულ ქცევას იმპულსის სივრცეში და სისტემის ტოპოლოგიური თვისებების შესაბამის ცვლილებებს. ამრიგად, კვლევა იძლევა ფოტოტოპოლოგიური ფაზური გადასვლების მკაფიო ფაზურ დიაგრამას (სურათი 4).

შედეგები აჩვენებს, რომ ყურადღება უნდა მიექცეს ვეილის წერტილთან ახლოს მატარებლის აგზნების ქირალურობას და უნდა გაანალიზდეს ტალღური ფუნქციის ატომური ორბიტალური თვისებები. ორივეს ეფექტები მსგავსია, მაგრამ მექანიზმი აშკარად განსხვავებულია, რაც თეორიულ საფუძველს იძლევა ვეილის წერტილების სინგულარობის ასახსნელად. გარდა ამისა, ამ კვლევაში გამოყენებული გამოთვლითი მეთოდით შესაძლებელია ზესწრაფ დროში ატომურ და ელექტრონულ დონეზე რთული ურთიერთქმედებებისა და დინამიური ქცევების ღრმად გაგება, მათი მიკროფიზიკური მექანიზმების გამოვლენა და მოსალოდნელია, რომ ის ტოპოლოგიურ მასალებში არაწრფივი ოპტიკური მოვლენების სამომავლო კვლევის ძლიერი ინსტრუმენტი იქნება.

შედეგები გამოქვეყნებულია ჟურნალ Nature Communications-ში. კვლევას მხარს უჭერს ეროვნული ძირითადი კვლევისა და განვითარების გეგმა, ეროვნული საბუნებისმეტყველო მეცნიერებების ფონდი და ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის სტრატეგიული საპილოტე პროექტი (კატეგორია B).

სურ.1.ა. დადებითი ქირალურობის ნიშნის მქონე ვეილის წერტილებისთვის ქირალურობის შერჩევის წესი (χ=+1) წრიულად პოლარიზებული სინათლის ქვეშ; სელექციური აგზნება ატომური ორბიტალური სიმეტრიით გამოწვეული ვეილის წერტილში b. χ=+1 ხაზოვანი პოლარიზებული სინათლის ქვეშ.

სურ. 2. a, Td-WTe2-ის ატომური სტრუქტურის დიაგრამა; ბ. ფერმის ზედაპირთან ახლოს მდებარე ზოლის სტრუქტურა; (გ) ზოლის სტრუქტურა და ატომური ორბიტალების ფარდობითი წვლილი, რომლებიც განაწილებულია მაღალი სიმეტრიული ხაზების გასწვრივ ბრილუენის რეგიონში, ისრები (1) და (2) წარმოადგენენ აგზნებას ვეილის წერტილებთან ახლოს ან შორს, შესაბამისად; დ. ზოლის სტრუქტურის ამპლიფიკაცია გამა-X მიმართულებით

სურ.3.ab: კრისტალის A და B ღერძების გასწვრივ წრფივად პოლარიზებული სინათლის პოლარიზაციის მიმართულების ფარდობითი შრეთაშორისი მოძრაობა და შესაბამისი მოძრაობის რეჟიმი ილუსტრირებულია; C. შედარება თეორიულ სიმულაციასა და ექსპერიმენტულ დაკვირვებას შორის; de: სისტემის სიმეტრიის ევოლუცია და kz=0 სიბრტყეში ორი უახლოესი ვეილის წერტილის პოზიცია, რაოდენობა და დაშორების ხარისხი.

სურ. 4. Td-WTe2-ში ფოტოტოპოლოგიური ფაზური გადასვლა წრფივად პოლარიზებული სინათლის ფოტონის ენერგიის (?) ω) და პოლარიზაციის მიმართულების (θ) მიხედვით დამოკიდებული ფაზური დიაგრამისთვის.