લેસર દ્વારા નિયંત્રિત વેઇલ ક્વાસિપાર્ટિકલ્સની અલ્ટ્રાફાસ્ટ ગતિના અભ્યાસમાં પ્રગતિ થઈ છે.

દ્વારા નિયંત્રિત વેઇલ ક્વાસિપાર્ટિકલ્સની અલ્ટ્રાફાસ્ટ ગતિના અભ્યાસમાં પ્રગતિ થઈ છેલેસરો

તાજેતરના વર્ષોમાં, કન્ડેન્સ્ડ મેટર ફિઝિક્સના ક્ષેત્રમાં ટોપોલોજીકલ ક્વોન્ટમ સ્ટેટ્સ અને ટોપોલોજીકલ ક્વોન્ટમ મટિરિયલ્સ પર સૈદ્ધાંતિક અને પ્રાયોગિક સંશોધન એક ગરમ વિષય બની ગયું છે. મેટર વર્ગીકરણની નવી વિભાવના તરીકે, સમપ્રમાણતાની જેમ ટોપોલોજીકલ ક્રમ, કન્ડેન્સ્ડ મેટર ફિઝિક્સમાં એક મૂળભૂત ખ્યાલ છે. ટોપોલોજીની ઊંડી સમજ કન્ડેન્સ્ડ મેટર ફિઝિક્સમાં મૂળભૂત સમસ્યાઓ સાથે સંબંધિત છે, જેમ કે મૂળભૂત ઇલેક્ટ્રોનિક માળખુંક્વોન્ટમ તબક્કાઓ, ક્વોન્ટમ તબક્કામાં ઘણા સ્થિર તત્વોના ક્વોન્ટમ તબક્કા સંક્રમણો અને ઉત્તેજના. ટોપોલોજીકલ પદાર્થોમાં, ઇલેક્ટ્રોન, ફોનોન અને સ્પિન જેવા ઘણા અંશની સ્વતંત્રતા વચ્ચેનું જોડાણ, ભૌતિક ગુણધર્મોને સમજવા અને નિયમન કરવામાં નિર્ણાયક ભૂમિકા ભજવે છે. પ્રકાશ ઉત્તેજનાનો ઉપયોગ વિવિધ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ વચ્ચે તફાવત કરવા અને પદાર્થની સ્થિતિને નિયંત્રિત કરવા માટે કરી શકાય છે, અને પછી સામગ્રીના મૂળભૂત ભૌતિક ગુણધર્મો, માળખાકીય તબક્કા સંક્રમણો અને નવી ક્વોન્ટમ સ્થિતિઓ વિશેની માહિતી મેળવી શકાય છે. હાલમાં, પ્રકાશ ક્ષેત્ર દ્વારા સંચાલિત ટોપોલોજીકલ પદાર્થોના મેક્રોસ્કોપિક વર્તન અને તેમના સૂક્ષ્મ અણુ બંધારણ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો વચ્ચેનો સંબંધ એક સંશોધન ધ્યેય બની ગયો છે.

ટોપોલોજીકલ પદાર્થોનું ફોટોઇલેક્ટ્રિક પ્રતિભાવ વર્તન તેની માઇક્રોસ્કોપિક ઇલેક્ટ્રોનિક રચના સાથે ગાઢ રીતે સંબંધિત છે. ટોપોલોજીકલ અર્ધ-ધાતુઓ માટે, બેન્ડ ઇન્ટરસેક્શનની નજીક વાહક ઉત્તેજના સિસ્ટમની તરંગ કાર્ય લાક્ષણિકતાઓ પ્રત્યે ખૂબ સંવેદનશીલ હોય છે. ટોપોલોજીકલ અર્ધ-ધાતુઓમાં બિન-રેખીય ઓપ્ટિકલ ઘટનાનો અભ્યાસ આપણને સિસ્ટમની ઉત્તેજિત સ્થિતિઓના ભૌતિક ગુણધર્મોને વધુ સારી રીતે સમજવામાં મદદ કરી શકે છે, અને એવી અપેક્ષા રાખવામાં આવે છે કે આ અસરોનો ઉપયોગ ઉત્પાદનમાં થઈ શકે છે.ઓપ્ટિકલ ઉપકરણોઅને સૌર કોષોની ડિઝાઇન, ભવિષ્યમાં સંભવિત વ્યવહારુ એપ્લિકેશનો પૂરી પાડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, વેઇલ અર્ધ-ધાતુમાં, ગોળાકાર ધ્રુવીકરણવાળા પ્રકાશના ફોટોનને શોષવાથી સ્પિન ફ્લિપ થશે, અને કોણીય ગતિના સંરક્ષણને પૂર્ણ કરવા માટે, વેઇલ શંકુની બંને બાજુએ ઇલેક્ટ્રોન ઉત્તેજના ગોળાકાર ધ્રુવીકરણવાળા પ્રકાશ પ્રસારની દિશામાં અસમપ્રમાણ રીતે વિતરિત થશે, જેને ચિરલ પસંદગી નિયમ (આકૃતિ 1) કહેવામાં આવે છે.

ટોપોલોજીકલ મટિરિયલ્સના નોનલાઇનર ઓપ્ટિકલ ફિનોમેનાના સૈદ્ધાંતિક અભ્યાસમાં સામાન્ય રીતે મટિરિયલ ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટ પ્રોપર્ટીઝ અને સપ્રમાણતા વિશ્લેષણની ગણતરીને જોડવાની પદ્ધતિ અપનાવવામાં આવે છે. જો કે, આ પદ્ધતિમાં કેટલીક ખામીઓ છે: તેમાં મોમેન્ટમ સ્પેસ અને રીઅલ સ્પેસમાં ઉત્તેજિત કેરિયર્સની રીઅલ-ટાઇમ ગતિશીલ માહિતીનો અભાવ છે, અને તે સમય-ઉકેલાયેલી પ્રાયોગિક શોધ પદ્ધતિ સાથે સીધી સરખામણી સ્થાપિત કરી શકતી નથી. ઇલેક્ટ્રોન-ફોન્સ અને ફોટોન-ફોન્સ વચ્ચેના જોડાણને ધ્યાનમાં લઈ શકાતું નથી. અને ચોક્કસ તબક્કા સંક્રમણો થવા માટે આ મહત્વપૂર્ણ છે. વધુમાં, પેર્ટર્બેશન થિયરી પર આધારિત આ સૈદ્ધાંતિક વિશ્લેષણ મજબૂત પ્રકાશ ક્ષેત્ર હેઠળ ભૌતિક પ્રક્રિયાઓ સાથે વ્યવહાર કરી શકતું નથી. પ્રથમ સિદ્ધાંતો પર આધારિત સમય-આધારિત ઘનતા કાર્યાત્મક મોલેક્યુલર ડાયનેમિક્સ (TDDFT-MD) સિમ્યુલેશન ઉપરોક્ત સમસ્યાઓ હલ કરી શકે છે.

તાજેતરમાં, ચાઇનીઝ એકેડેમી ઓફ સાયન્સિસ/બેઇજિંગ નેશનલ રિસર્ચ સેન્ટર ફોર કોન્સન્ટ્રેટેડ મેટર ફિઝિક્સના સ્ટેટ કી લેબોરેટરી ઓફ સરફેસ ફિઝિક્સના SF10 ગ્રુપના સંશોધક મેંગ શેંગ, પોસ્ટડોક્ટરલ સંશોધક ગુઆન મેંગક્સ્યુ અને ડોક્ટરલ વિદ્યાર્થી વાંગ એનના માર્ગદર્શન હેઠળ, બેઇજિંગ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજીના પ્રોફેસર સન જિયાતાઓ સાથે મળીને, તેઓએ સ્વ-વિકસિત ઉત્તેજિત રાજ્ય ગતિશીલતા સિમ્યુલેશન સોફ્ટવેર TDAP નો ઉપયોગ કર્યો. બીજા પ્રકારના વેઇલ સેમી-મેટલ WTe2 માં અલ્ટ્રાફાસ્ટ લેસર માટે ક્વોસ્ટીપાર્ટિકલ ઉત્તેજનાની પ્રતિભાવ લાક્ષણિકતાઓની તપાસ કરવામાં આવી છે.

એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે વેઇલ બિંદુની નજીકના વાહકોનું પસંદગીયુક્ત ઉત્તેજના અણુ ભ્રમણકક્ષા સમપ્રમાણતા અને સંક્રમણ પસંદગી નિયમ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, જે ચિરલ ઉત્તેજના માટે સામાન્ય સ્પિન પસંદગી નિયમથી અલગ છે, અને તેના ઉત્તેજના માર્ગને રેખીય ધ્રુવીકરણ પ્રકાશ અને ફોટોન ઊર્જાની ધ્રુવીકરણ દિશા બદલીને નિયંત્રિત કરી શકાય છે (આકૃતિ 2).

વાહકોનું અસમપ્રમાણ ઉત્તેજના વાસ્તવિક અવકાશમાં વિવિધ દિશામાં ફોટોકરન્ટ્સને પ્રેરિત કરે છે, જે સિસ્ટમના ઇન્ટરલેયર સ્લિપની દિશા અને સમપ્રમાણતાને અસર કરે છે. WTe2 ના ટોપોલોજીકલ ગુણધર્મો, જેમ કે વેઇલ બિંદુઓની સંખ્યા અને મોમેન્ટમ સ્પેસમાં અલગ થવાની ડિગ્રી, સિસ્ટમની સમપ્રમાણતા પર ખૂબ આધાર રાખે છે (આકૃતિ 3), વાહકોનું અસમપ્રમાણ ઉત્તેજના વેઇલ ક્વોસ્ટીપાર્ટિકલ્સનું વિવિધ વર્તન અને સિસ્ટમના ટોપોલોજીકલ ગુણધર્મોમાં અનુરૂપ ફેરફારો લાવશે. આમ, અભ્યાસ ફોટોટોપોલોજિકલ ફેઝ ટ્રાન્ઝિશન માટે સ્પષ્ટ ફેઝ ડાયાગ્રામ પ્રદાન કરે છે (આકૃતિ 4).

પરિણામો દર્શાવે છે કે વેઇલ બિંદુ નજીક વાહક ઉત્તેજનાની કાયરાલિટી પર ધ્યાન આપવું જોઈએ, અને તરંગ કાર્યના અણુ ભ્રમણકક્ષાના ગુણધર્મોનું વિશ્લેષણ કરવું જોઈએ. બંનેની અસરો સમાન છે પરંતુ પદ્ધતિ સ્પષ્ટપણે અલગ છે, જે વેઇલ બિંદુઓની એકલતાને સમજાવવા માટે સૈદ્ધાંતિક આધાર પૂરો પાડે છે. વધુમાં, આ અભ્યાસમાં અપનાવવામાં આવેલી ગણતરી પદ્ધતિ સુપર-ફાસ્ટ ટાઇમ સ્કેલમાં અણુ અને ઇલેક્ટ્રોનિક સ્તરે જટિલ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ અને ગતિશીલ વર્તણૂકોને ઊંડાણપૂર્વક સમજી શકે છે, તેમના માઇક્રોફિઝિકલ મિકેનિઝમ્સને જાહેર કરી શકે છે, અને ટોપોલોજીકલ સામગ્રીમાં બિન-રેખીય ઓપ્ટિકલ ઘટના પર ભવિષ્યના સંશોધન માટે એક શક્તિશાળી સાધન બનવાની અપેક્ષા છે.

પરિણામો નેચર કોમ્યુનિકેશન્સ જર્નલમાં છે. આ સંશોધન કાર્યને નેશનલ કી રિસર્ચ એન્ડ ડેવલપમેન્ટ પ્લાન, નેશનલ નેચરલ સાયન્સ ફાઉન્ડેશન અને ચાઇનીઝ એકેડેમી ઓફ સાયન્સના સ્ટ્રેટેજિક પાયલોટ પ્રોજેક્ટ (કેટેગરી B) દ્વારા સમર્થન આપવામાં આવ્યું છે.

આકૃતિ 1.a. ગોળાકાર ધ્રુવીકૃત પ્રકાશ હેઠળ ધન ધ્રુવીકૃત ચિહ્ન (χ=+1) ધરાવતા વેઇલ બિંદુઓ માટે વેઇલ બિંદુઓ માટે વેઇલ પસંદગીનો નિયમ; ઓન-લાઇન ધ્રુવીકૃત પ્રકાશમાં b. χ=+1 ના વેઇલ બિંદુ પર અણુ ભ્રમણકક્ષા સમપ્રમાણતાને કારણે પસંદગીયુક્ત ઉત્તેજના

આકૃતિ 2. a, Td-WTe2 નું અણુ માળખું આકૃતિ; b. ફર્મી સપાટીની નજીક બેન્ડ માળખું; (c) બ્રિલૌઇન ક્ષેત્રમાં ઉચ્ચ સપ્રમાણ રેખાઓ સાથે વિતરિત અણુ ભ્રમણકક્ષાના બેન્ડ માળખું અને સંબંધિત યોગદાન, તીર (1) અને (2) અનુક્રમે વેઇલ બિંદુઓની નજીક અથવા દૂર ઉત્તેજના દર્શાવે છે; d. ગામા-X દિશામાં બેન્ડ માળખાનું વિસ્તરણ

FIG.3.ab: સ્ફટિકના A-અક્ષ અને B-અક્ષ સાથે રેખીય ધ્રુવીકરણવાળા પ્રકાશ ધ્રુવીકરણ દિશાની સંબંધિત આંતરસ્તરીય ગતિ, અને અનુરૂપ ગતિ મોડ દર્શાવવામાં આવ્યું છે; C. સૈદ્ધાંતિક સિમ્યુલેશન અને પ્રાયોગિક અવલોકન વચ્ચે સરખામણી; de: સિસ્ટમની સમપ્રમાણતા ઉત્ક્રાંતિ અને kz=0 સમતલમાં બે નજીકના વેઇલ બિંદુઓની સ્થિતિ, સંખ્યા અને વિભાજનની ડિગ્રી

આકૃતિ 4. રેખીય ધ્રુવીકરણ પ્રકાશ ફોટોન ઊર્જા (?) ω) અને ધ્રુવીકરણ દિશા (θ) આધારિત તબક્કા આકૃતિ માટે Td-WTe2 માં ફોટોટોપોલોજીકલ તબક્કા સંક્રમણ