लेझरद्वारे नियंत्रित वेल अर्धकणांच्या अतिवेगवान गतीच्या अभ्यासात प्रगती झाली आहे.

नियंत्रित वेल अर्धकणांच्या अतिवेगवान गतीच्या अभ्यासात प्रगती झाली आहे.लेझर

अलिकडच्या वर्षांत, संघनित पदार्थ भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्रात टोपोलॉजिकल क्वांटम अवस्था आणि टोपोलॉजिकल क्वांटम पदार्थांवरील सैद्धांतिक आणि प्रायोगिक संशोधन हा एक चर्चेचा विषय बनला आहे. पदार्थांच्या वर्गीकरणाची एक नवीन संकल्पना म्हणून, टोपोलॉजिकल सुव्यवस्था ही सममितीप्रमाणेच संघनित पदार्थ भौतिकशास्त्रातील एक मूलभूत संकल्पना आहे. टोपोलॉजीचे सखोल आकलन हे संघनित पदार्थ भौतिकशास्त्रातील मूलभूत समस्यांशी संबंधित आहे, जसे की मूलभूत इलेक्ट्रॉनिक संरचना.क्वांटम टप्पेक्वांटम प्रावस्था संक्रमण आणि क्वांटम प्रावस्थेतील अनेक स्थिर घटकांचे उत्तेजन. टोपोलॉजिकल पदार्थांमध्ये, इलेक्ट्रॉन, फोनॉन आणि स्पिन यांसारख्या अनेक स्वातंत्र्य अंशांमधील युग्मन हे पदार्थांचे गुणधर्म समजून घेण्यात आणि नियंत्रित करण्यात निर्णायक भूमिका बजावते. प्रकाश उत्तेजनाचा उपयोग वेगवेगळ्या आंतरक्रिया ओळखण्यासाठी आणि पदार्थाच्या अवस्थेत फेरफार करण्यासाठी केला जाऊ शकतो, आणि त्याद्वारे पदार्थाचे मूलभूत भौतिक गुणधर्म, संरचनात्मक प्रावस्था संक्रमण आणि नवीन क्वांटम अवस्थांबद्दल माहिती मिळवता येते. सध्या, प्रकाश क्षेत्राद्वारे चालविलेल्या टोपोलॉजिकल पदार्थांच्या स्थूल वर्तनाचा आणि त्यांच्या सूक्ष्म अणू संरचना व इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांमधील संबंध हे एक संशोधनाचे उद्दिष्ट बनले आहे.

टोपोलॉजिकल पदार्थांचे फोटोइलेक्ट्रिक प्रतिसाद वर्तन हे त्यांच्या सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक संरचनेशी जवळून संबंधित आहे. टोपोलॉजिकल सेमी-मेटल्ससाठी, बँड इंटरसेक्शनजवळील वाहक उत्तेजन हे प्रणालीच्या वेव्ह फंक्शन वैशिष्ट्यांप्रति अत्यंत संवेदनशील असते. टोपोलॉजिकल सेमी-मेटल्समधील नॉनलाइनर ऑप्टिकल घटनांचा अभ्यास आपल्याला प्रणालीच्या उत्तेजित अवस्थांचे भौतिक गुणधर्म अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यास मदत करू शकतो, आणि अशी अपेक्षा आहे की या परिणामांचा उपयोग निर्मितीमध्ये केला जाऊ शकतो.ऑप्टिकल उपकरणेआणि सौर पेशींची रचना, ज्यामुळे भविष्यात संभाव्य व्यावहारिक उपयोग मिळू शकतात. उदाहरणार्थ, वेइल सेमी-मेटलमध्ये, वर्तुळाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाचा फोटॉन शोषल्याने स्पिन उलटतो, आणि कोणीय संवेगाच्या संवर्धनाचा नियम पाळण्यासाठी, वेइल शंकूच्या दोन्ही बाजूंना असलेले इलेक्ट्रॉन उत्तेजन हे वर्तुळाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाच्या प्रसारणाच्या दिशेने असममितपणे वितरित होते, ज्याला कायराल निवड नियम म्हणतात (आकृती १).

टोपोलॉजिकल पदार्थांच्या नॉनलाइनर ऑप्टिकल घटनांच्या सैद्धांतिक अभ्यासात सामान्यतः पदार्थाच्या ग्राउंड स्टेट गुणधर्मांची गणना आणि सममिती विश्लेषण यांचे संयोजन करण्याची पद्धत वापरली जाते. तथापि, या पद्धतीत काही दोष आहेत: यात मोमेंटम स्पेस आणि रिअल स्पेस मधील उत्तेजित वाहकांच्या रिअल-टाइम डायनॅमिक माहितीचा अभाव असतो, आणि ती टाइम-रिझॉल्व्ह्ड प्रायोगिक शोध पद्धतीशी थेट तुलना स्थापित करू शकत नाही. इलेक्ट्रॉन-फोनॉन आणि फोटॉन-फोनॉन यांच्यातील कपलिंग विचारात घेतले जाऊ शकत नाही. आणि विशिष्ट फेज ट्रान्झिशन्स घडण्यासाठी हे महत्त्वपूर्ण आहे. याव्यतिरिक्त, पर्टर्बेशन थिअरीवर आधारित हे सैद्धांतिक विश्लेषण तीव्र प्रकाश क्षेत्राखालील भौतिक प्रक्रिया हाताळू शकत नाही. फर्स्ट प्रिन्सिपल्सवर आधारित टाइम-डिपेंडेंट डेन्सिटी फंक्शनल मॉलिक्युलर डायनॅमिक्स (TDDFT-MD) सिम्युलेशन वरील समस्या सोडवू शकते.

अलीकडेच, चायनीज ॲकॅडमी ऑफ सायन्सेसच्या इन्स्टिट्यूट ऑफ फिजिक्सच्या स्टेट की लॅबोरेटरी ऑफ सरफेस फिजिक्स/बीजिंग नॅशनल रिसर्च सेंटर फॉर कॉन्सन्ट्रेटेड मॅटर फिजिक्सच्या एसएफ१० ग्रुपचे संशोधक मेंग शेंग, पोस्टडॉक्टरल संशोधक गुआन मेंगशुए आणि पीएचडी विद्यार्थी वांग एन यांच्या मार्गदर्शनाखाली, बीजिंग इन्स्टिट्यूट ऑफ टेक्नॉलॉजीचे प्राध्यापक सन जियाताओ यांच्या सहकार्याने, त्यांनी स्वतः विकसित केलेल्या टीडीएपी (TDAP) या उत्तेजित अवस्था गतिकी सिम्युलेशन सॉफ्टवेअरचा वापर करून, दुसऱ्या प्रकारच्या वेइल सेमी-मेटल WTe2 मध्ये अल्ट्राफास्ट लेसरला क्वास्टीपार्टिकल उत्तेजनाच्या प्रतिसाद वैशिष्ट्यांचा अभ्यास केला आहे.

हे दाखवून देण्यात आले आहे की वेइल बिंदूजवळ वाहकांचे निवडक उत्तेजन हे अणू कक्षीय समरूपता आणि संक्रमण निवड नियमाद्वारे निर्धारित केले जाते, जे किरल उत्तेजनासाठीच्या सामान्य स्पिन निवड नियमापेक्षा वेगळे आहे, आणि त्याचा उत्तेजन मार्ग रेषीय ध्रुवीकृत प्रकाशाची ध्रुवीकरण दिशा आणि फोटॉन ऊर्जा बदलून नियंत्रित केला जाऊ शकतो (आकृती २).

वाहकांच्या असममित उत्तेजनामुळे वास्तविक अवकाशात वेगवेगळ्या दिशांना फोटोकरंट्स निर्माण होतात, ज्यामुळे प्रणालीच्या आंतर-थर घसरणीची दिशा आणि सममिती प्रभावित होते. WTe2 चे टोपोलॉजिकल गुणधर्म, जसे की वेइल बिंदूंची संख्या आणि संवेग अवकाशातील विभक्ततेची पातळी, प्रणालीच्या सममितीवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून असल्यामुळे (आकृती ३), वाहकांच्या असममित उत्तेजनामुळे संवेग अवकाशात वेइल क्वास्टीपार्टिकल्सचे वर्तन बदलते आणि प्रणालीच्या टोपोलॉजिकल गुणधर्मांमध्ये त्यानुसार बदल होतात. अशाप्रकारे, हा अभ्यास फोटोटोपोलॉजिकल प्रावस्था संक्रमणांसाठी एक स्पष्ट प्रावस्था आकृती प्रदान करतो (आकृती ४).

परिणाम दर्शवतात की, वेइल बिंदूजवळ वाहक उत्तेजनाच्या कायरालिटीकडे लक्ष दिले पाहिजे आणि तरंग फलनाच्या अणू कक्षीय गुणधर्मांचे विश्लेषण केले पाहिजे. या दोन्हींचे परिणाम समान असले तरी, त्यांची कार्यप्रणाली स्पष्टपणे भिन्न आहे, ज्यामुळे वेइल बिंदूंच्या विलक्षणतेचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी एक सैद्धांतिक आधार मिळतो. याव्यतिरिक्त, या अभ्यासात अवलंबलेली संगणकीय पद्धत अति-जलद वेळेच्या प्रमाणात अणू आणि इलेक्ट्रॉनिक स्तरांवरील जटिल आंतरक्रिया आणि गतिशील वर्तनांना सखोलपणे समजू शकते, त्यांच्या सूक्ष्मभौतिक कार्यप्रणाली उघड करू शकते, आणि टोपोलॉजिकल पदार्थांमधील अरेखीय प्रकाशीय घटनांवरील भविष्यातील संशोधनासाठी एक शक्तिशाली साधन ठरेल अशी अपेक्षा आहे.

हे निष्कर्ष 'नेचर कम्युनिकेशन्स' या जर्नलमध्ये प्रकाशित झाले आहेत. या संशोधन कार्याला राष्ट्रीय प्रमुख संशोधन आणि विकास योजना, राष्ट्रीय नैसर्गिक विज्ञान प्रतिष्ठान आणि चायनीज ॲकॅडमी ऑफ सायन्सेसच्या धोरणात्मक पथदर्शी प्रकल्प (श्रेणी बी) द्वारे सहाय्य मिळाले आहे.

आकृती १.अ. वर्तुळाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाखाली धन किरॅलिटी चिन्ह (χ=+1) असलेल्या वेइल बिंदूंसाठी किरॅलिटी निवडीचा नियम; ब. ऑन-लाइन ध्रुवीकृत प्रकाशात χ=+1 च्या वेइल बिंदूवर अणु ऑर्बिटल सममितीमुळे होणारे निवडक उत्तेजन.

आकृती २. अ. Td-WTe2 ची अणुसंरचना आकृती; ब. फर्मी पृष्ठभागाजवळील बँड संरचना; (क) ब्रिलुइन प्रदेशातील उच्च सममित रेषांवर वितरित अणु ऑर्बिटल्सची बँड संरचना आणि सापेक्ष योगदान, बाण (१) आणि (२) अनुक्रमे वेइल बिंदूंच्या जवळ किंवा दूर असलेले उत्तेजन दर्शवतात; ड. गॅमा-एक्स दिशेतील बँड संरचनेचे प्रवर्धन.

आकृती ३.एबी: स्फटिकाच्या ए-अक्ष आणि बी-अक्षाच्या दिशेने रेषीय ध्रुवीकृत प्रकाशाच्या ध्रुवीकरण दिशेची सापेक्ष आंतरस्तरीय हालचाल आणि संबंधित हालचालीची पद्धत दर्शविली आहे; सी. सैद्धांतिक अनुकरण आणि प्रायोगिक निरीक्षण यांच्यातील तुलना; डीई: प्रणालीच्या सममितीचा विकास आणि kz=0 प्रतलातील दोन सर्वात जवळच्या वेइल बिंदूंचे स्थान, संख्या आणि विभक्ततेची पातळी.

आकृती ४. रेषीय ध्रुवीकृत प्रकाशासाठी Td-WTe2 मधील फोटोटॉपोलॉजिकल प्रावस्था संक्रमण, फोटॉन ऊर्जा (?) ω) आणि ध्रुवीकरण दिशा (θ) यांवर अवलंबून असलेला प्रावस्था आकृती.