ലേസർ നിയന്ത്രിക്കുന്ന വെയിൽ ക്വാസിപാർട്ടിക്കിളുകളുടെ അൾട്രാ ഫാസ്റ്റ് ചലനത്തെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തിൽ പുരോഗതി ഉണ്ടായിട്ടുണ്ട്.

നിയന്ത്രിക്കുന്ന വെയിൽ ക്വാസിപാർട്ടിക്കിളുകളുടെ അൾട്രാ ഫാസ്റ്റ് ചലനത്തെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തിൽ പുരോഗതി ഉണ്ടായിട്ടുണ്ട്ലേസറുകൾ

സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, ടോപ്പോളജിക്കൽ ക്വാണ്ടം അവസ്ഥകളെയും ടോപ്പോളജിക്കൽ ക്വാണ്ടം വസ്തുക്കളെയും കുറിച്ചുള്ള സൈദ്ധാന്തികവും പരീക്ഷണാത്മകവുമായ ഗവേഷണം ഘനീഭവിച്ച ദ്രവ്യ ഭൗതികശാസ്ത്ര മേഖലയിൽ ഒരു ചൂടുള്ള വിഷയമായി മാറിയിരിക്കുന്നു. ദ്രവ്യ വർഗ്ഗീകരണത്തിന്റെ ഒരു പുതിയ ആശയം എന്ന നിലയിൽ, സമമിതി പോലെ, ടോപ്പോളജിക്കൽ ക്രമം, ഘനീഭവിച്ച ദ്രവ്യ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലെ ഒരു അടിസ്ഥാന ആശയമാണ്. ടോപ്പോളജിയെക്കുറിച്ചുള്ള ആഴത്തിലുള്ള ധാരണ ഘനീഭവിച്ച ദ്രവ്യ ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിലെ അടിസ്ഥാന പ്രശ്നങ്ങളുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു, ഉദാഹരണത്തിന് അടിസ്ഥാന ഇലക്ട്രോണിക് ഘടനക്വാണ്ടം ഘട്ടങ്ങൾ, ക്വാണ്ടം ഘട്ടങ്ങളിലെ നിരവധി നിശ്ചല മൂലകങ്ങളുടെ ക്വാണ്ടം ഘട്ട സംക്രമണങ്ങളും ആവേശവും. ടോപ്പോളജിക്കൽ വസ്തുക്കളിൽ, ഇലക്ട്രോണുകൾ, ഫോണോണുകൾ, സ്പിൻ തുടങ്ങിയ നിരവധി ഡിഗ്രി സ്വാതന്ത്ര്യങ്ങൾ തമ്മിലുള്ള സംയോജനം, ഭൗതിക ഗുണങ്ങളെ മനസ്സിലാക്കുന്നതിലും നിയന്ത്രിക്കുന്നതിലും നിർണായക പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. വ്യത്യസ്ത പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങൾ തമ്മിൽ വേർതിരിച്ചറിയാനും ദ്രവ്യത്തിന്റെ അവസ്ഥ കൈകാര്യം ചെയ്യാനും പ്രകാശ ഉത്തേജനം ഉപയോഗിക്കാം, കൂടാതെ വസ്തുവിന്റെ അടിസ്ഥാന ഭൗതിക സവിശേഷതകൾ, ഘടനാപരമായ ഘട്ട സംക്രമണങ്ങൾ, പുതിയ ക്വാണ്ടം അവസ്ഥകൾ എന്നിവയെക്കുറിച്ചുള്ള വിവരങ്ങൾ ലഭിക്കും. നിലവിൽ, പ്രകാശ മണ്ഡലത്താൽ നയിക്കപ്പെടുന്ന ടോപ്പോളജിക്കൽ വസ്തുക്കളുടെ മാക്രോസ്കോപ്പിക് സ്വഭാവവും അവയുടെ സൂക്ഷ്മ ആറ്റോമിക് ഘടനയും ഇലക്ട്രോണിക് ഗുണങ്ങളും തമ്മിലുള്ള ബന്ധം ഒരു ഗവേഷണ ലക്ഷ്യമായി മാറിയിരിക്കുന്നു.

ടോപ്പോളജിക്കൽ വസ്തുക്കളുടെ ഫോട്ടോഇലക്ട്രിക് പ്രതികരണ സ്വഭാവം അതിന്റെ സൂക്ഷ്മ ഇലക്ട്രോണിക് ഘടനയുമായി അടുത്ത ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. ടോപ്പോളജിക്കൽ സെമി-ലോഹങ്ങൾക്ക്, ബാൻഡ് ഇന്റർസെക്ഷനടുത്തുള്ള കാരിയർ എക്‌സൈറ്റേഷൻ സിസ്റ്റത്തിന്റെ തരംഗ പ്രവർത്തന സവിശേഷതകളോട് വളരെ സെൻസിറ്റീവ് ആണ്. ടോപ്പോളജിക്കൽ സെമി-ലോഹങ്ങളിലെ നോൺലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രതിഭാസങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനം സിസ്റ്റത്തിന്റെ ഉത്തേജിത അവസ്ഥകളുടെ ഭൗതിക സവിശേഷതകൾ നന്നായി മനസ്സിലാക്കാൻ നമ്മെ സഹായിക്കും, കൂടാതെ ഈ ഇഫക്റ്റുകൾ നിർമ്മാണത്തിൽ ഉപയോഗിക്കാമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.ഒപ്റ്റിക്കൽ ഉപകരണങ്ങൾഭാവിയിൽ പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങൾ നൽകുന്നതിനായി സോളാർ സെല്ലുകളുടെ രൂപകൽപ്പനയും. ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു വെയ്ൽ സെമി-ലോഹത്തിൽ, വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ധ്രുവീകരിക്കപ്പെട്ട പ്രകാശത്തിന്റെ ഒരു ഫോട്ടോൺ ആഗിരണം ചെയ്യുന്നത് സ്പിൻ ഫ്ലിപ്പ് ചെയ്യാൻ കാരണമാകും, കൂടാതെ കോണീയ ആവേഗത്തിന്റെ സംരക്ഷണം നിറവേറ്റുന്നതിനായി, വെയ്ൽ കോണിന്റെ ഇരുവശത്തുമുള്ള ഇലക്ട്രോൺ ഉത്തേജനം വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ധ്രുവീകരിക്കപ്പെട്ട പ്രകാശ പ്രചാരണത്തിന്റെ ദിശയിൽ അസമമായി വിതരണം ചെയ്യും, ഇതിനെ കൈറൽ സെലക്ഷൻ റൂൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നു (ചിത്രം 1).

ടോപ്പോളജിക്കൽ വസ്തുക്കളുടെ രേഖീയമല്ലാത്ത ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രതിഭാസങ്ങളുടെ സൈദ്ധാന്തിക പഠനം സാധാരണയായി മെറ്റീരിയൽ ഗ്രൗണ്ട് സ്റ്റേറ്റ് പ്രോപ്പർട്ടികളുടെ കണക്കുകൂട്ടലും സമമിതി വിശകലനവും സംയോജിപ്പിക്കുന്ന രീതിയാണ് സ്വീകരിക്കുന്നത്. എന്നിരുന്നാലും, ഈ രീതിക്ക് ചില പോരായ്മകളുണ്ട്: മൊമെന്റം സ്‌പെയ്‌സിലും റിയൽ സ്‌പെയ്‌സിലും ഉത്തേജിത വാഹകരുടെ തത്സമയ ചലനാത്മക വിവരങ്ങൾ ഇതിന് ഇല്ല, കൂടാതെ സമയ-പരിഹരിച്ച പരീക്ഷണാത്മക കണ്ടെത്തൽ രീതിയുമായി നേരിട്ട് താരതമ്യം സ്ഥാപിക്കാനും ഇതിന് കഴിയില്ല. ഇലക്ട്രോൺ-ഫോണോണുകളും ഫോട്ടോൺ-ഫോണോണുകളും തമ്മിലുള്ള സംയോജനം പരിഗണിക്കാൻ കഴിയില്ല. ചില ഘട്ട സംക്രമണങ്ങൾ സംഭവിക്കുന്നതിന് ഇത് നിർണായകമാണ്. കൂടാതെ, പെർടർബേഷൻ സിദ്ധാന്തത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഈ സൈദ്ധാന്തിക വിശകലനത്തിന് ശക്തമായ പ്രകാശ മണ്ഡലത്തിന് കീഴിലുള്ള ഭൗതിക പ്രക്രിയകളെ കൈകാര്യം ചെയ്യാൻ കഴിയില്ല. ആദ്യ തത്വങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള സമയ-ആശ്രിത സാന്ദ്രത ഫങ്ഷണൽ മോളിക്യുലാർ ഡൈനാമിക്സ് (TDDFT-MD) സിമുലേഷന് മുകളിലുള്ള പ്രശ്നങ്ങൾ പരിഹരിക്കാൻ കഴിയും.

അടുത്തിടെ, ഗവേഷകനായ മെങ് ഷെങ്, പോസ്റ്റ്ഡോക്ടറൽ ഗവേഷകൻ ഗുവാൻ മെങ്‌ക്സ്യൂ, ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ഫിസിക്സ് ഓഫ് ചൈനീസ് അക്കാദമി ഓഫ് സയൻസസിലെ സ്റ്റേറ്റ് കീ ലബോറട്ടറി ഓഫ് സർഫേസ് ഫിസിക്‌സിലെ SF10 ഗ്രൂപ്പിലെ ഡോക്ടറൽ വിദ്യാർത്ഥി വാങ് എൻ എന്നിവരുടെ മാർഗ്ഗനിർദ്ദേശത്തിൽ/ബീജിംഗ് നാഷണൽ റിസർച്ച് സെന്റർ ഫോർ കോൺസെൻട്രേറ്റഡ് മാറ്റർ ഫിസിക്‌സിൽ, ബീജിംഗ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ടെക്‌നോളജിയിലെ പ്രൊഫസർ സൺ ജിയാറ്റാവോയുമായി സഹകരിച്ച്, അവർ സ്വയം വികസിപ്പിച്ചെടുത്ത എക്സൈറ്റഡ് സ്റ്റേറ്റ് ഡൈനാമിക്സ് സിമുലേഷൻ സോഫ്റ്റ്‌വെയർ TDAP ഉപയോഗിച്ചു. രണ്ടാമത്തെ തരം വെയ്ൽ സെമി-മെറ്റൽ WTe2-ൽ അൾട്രാഫാസ്റ്റ് ലേസറിലേക്കുള്ള ക്വാസ്റ്റിപാർട്ടിക്കിൾ എക്‌സൈറ്റേഷന്റെ പ്രതികരണ സവിശേഷതകൾ പരിശോധിക്കുന്നു.

വെയ്ൽ പോയിന്റിനടുത്തുള്ള കാരിയറുകളുടെ സെലക്ടീവ് എക്‌സിറ്റേഷൻ നിർണ്ണയിക്കുന്നത് ആറ്റോമിക് ഓർബിറ്റൽ സമമിതിയും സംക്രമണ സെലക്ഷൻ നിയമവുമാണ്, ഇത് ചിറൽ എക്‌സിറ്റേഷനുള്ള സാധാരണ സ്പിൻ സെലക്ഷൻ നിയമത്തിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമാണ്, കൂടാതെ രേഖീയമായി പോളറൈസ് ചെയ്ത പ്രകാശത്തിന്റെയും ഫോട്ടോൺ ഊർജ്ജത്തിന്റെയും ധ്രുവീകരണ ദിശ മാറ്റുന്നതിലൂടെ അതിന്റെ എക്‌സിറ്റേഷൻ പാത നിയന്ത്രിക്കാൻ കഴിയും (ചിത്രം 2).

കാരിയറുകളുടെ അസമമായ ആവേശം യഥാർത്ഥ സ്ഥലത്ത് വ്യത്യസ്ത ദിശകളിലേക്ക് ഫോട്ടോകറന്റുകൾക്ക് കാരണമാകുന്നു, ഇത് സിസ്റ്റത്തിന്റെ ഇന്റർലെയർ സ്ലിപ്പിന്റെ ദിശയെയും സമമിതിയെയും ബാധിക്കുന്നു. വെയിൽ പോയിന്റുകളുടെ എണ്ണം, മൊമെന്റം സ്‌പെയ്‌സിലെ വേർതിരിക്കലിന്റെ അളവ് തുടങ്ങിയ WTe2 ന്റെ ടോപ്പോളജിക്കൽ ഗുണങ്ങൾ സിസ്റ്റത്തിന്റെ സമമിതിയെ വളരെയധികം ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നതിനാൽ (ചിത്രം 3), കാരിയറുകളുടെ അസമമായ ആവേശം മൊമെന്റം സ്‌പെയ്‌സിലെ വെയിൽ ക്വാസ്റ്റിപാർട്ടിക്കിളുകളുടെ വ്യത്യസ്ത സ്വഭാവത്തിനും സിസ്റ്റത്തിന്റെ ടോപ്പോളജിക്കൽ ഗുണങ്ങളിൽ അനുബന്ധ മാറ്റങ്ങൾക്കും കാരണമാകും. അങ്ങനെ, ഫോട്ടോടോപോളജിക്കൽ ഘട്ടം സംക്രമണങ്ങൾക്കായി പഠനം വ്യക്തമായ ഒരു ഘട്ടം ഡയഗ്രം നൽകുന്നു (ചിത്രം 4).

വെയ്ൽ പോയിന്റിനടുത്തുള്ള കാരിയർ എക്‌സൈറ്റേഷന്റെ കൈറാലിറ്റിയിൽ ശ്രദ്ധ ചെലുത്തണമെന്നും തരംഗ പ്രവർത്തനത്തിന്റെ ആറ്റോമിക് ഓർബിറ്റൽ ഗുണങ്ങൾ വിശകലനം ചെയ്യണമെന്നും ഫലങ്ങൾ കാണിക്കുന്നു. രണ്ടിന്റെയും ഫലങ്ങൾ സമാനമാണ്, പക്ഷേ മെക്കാനിസം വ്യക്തമായും വ്യത്യസ്തമാണ്, ഇത് വെയ്ൽ പോയിന്റുകളുടെ സിംഗുലാരിറ്റി വിശദീകരിക്കുന്നതിനുള്ള സൈദ്ധാന്തിക അടിത്തറ നൽകുന്നു. കൂടാതെ, ഈ പഠനത്തിൽ സ്വീകരിച്ച കമ്പ്യൂട്ടേഷണൽ രീതിക്ക് ആറ്റോമിക്, ഇലക്ട്രോണിക് തലങ്ങളിലെ സങ്കീർണ്ണമായ ഇടപെടലുകളെയും ചലനാത്മക സ്വഭാവങ്ങളെയും സൂപ്പർ-ഫാസ്റ്റ് ടൈം സ്കെയിലിൽ ആഴത്തിൽ മനസ്സിലാക്കാനും അവയുടെ മൈക്രോഫിസിക്കൽ മെക്കാനിസങ്ങൾ വെളിപ്പെടുത്താനും ടോപ്പോളജിക്കൽ മെറ്റീരിയലുകളിലെ നോൺ-ലീനിയർ ഒപ്റ്റിക്കൽ പ്രതിഭാസങ്ങളെക്കുറിച്ചുള്ള ഭാവി ഗവേഷണത്തിനുള്ള ശക്തമായ ഉപകരണമാകുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.

നേച്ചർ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ് ജേണലിലാണ് ഫലങ്ങൾ പ്രസിദ്ധീകരിച്ചിരിക്കുന്നത്. നാഷണൽ കീ റിസർച്ച് ആൻഡ് ഡെവലപ്‌മെന്റ് പ്ലാൻ, നാഷണൽ നാച്ചുറൽ സയൻസ് ഫൗണ്ടേഷൻ, ചൈനീസ് അക്കാദമി ഓഫ് സയൻസസിന്റെ സ്ട്രാറ്റജിക് പൈലറ്റ് പ്രോജക്റ്റ് (കാറ്റഗറി ബി) എന്നിവയുടെ പിന്തുണയോടെയാണ് ഗവേഷണ പ്രവർത്തനങ്ങൾ നടക്കുന്നത്.

ചിത്രം 1.a. വൃത്താകൃതിയിലുള്ള ധ്രുവീകരണ പ്രകാശത്തിൽ പോസിറ്റീവ് കൈരാലിറ്റി ചിഹ്നം (χ=+1) ഉള്ള വെയ്ൽ പോയിന്റുകൾക്കുള്ള കൈരാലിറ്റി തിരഞ്ഞെടുക്കൽ നിയമം; ഓൺ-ലൈൻ പോളറൈസ്ഡ് പ്രകാശത്തിൽ b. χ=+1 ന്റെ വെയ്ൽ പോയിന്റിൽ ആറ്റോമിക് ഓർബിറ്റൽ സമമിതി മൂലമുള്ള സെലക്ടീവ് എക്‌സൈറ്റേഷൻ.

ചിത്രം 2. a, Td-WTe2 ന്റെ ആറ്റോമിക് ഘടന ഡയഗ്രം; b. ഫെർമി ഉപരിതലത്തിനടുത്തുള്ള ബാൻഡ് ഘടന; (c) ബ്രില്ലൂയിൻ മേഖലയിൽ ഉയർന്ന സമമിതി രേഖകളിൽ വിതരണം ചെയ്തിരിക്കുന്ന ആറ്റോമിക് ഓർബിറ്റലുകളുടെ ബാൻഡ് ഘടനയും ആപേക്ഷിക സംഭാവനകളും, അമ്പടയാളങ്ങൾ (1) ഉം (2) ഉം യഥാക്രമം വെയ്ൽ പോയിന്റുകൾക്ക് സമീപമോ അകലെയോ ഉള്ള ആവേശത്തെ പ്രതിനിധീകരിക്കുന്നു; d. ഗാമ-X ദിശയിൽ ബാൻഡ് ഘടനയുടെ ആംപ്ലിഫിക്കേഷൻ

ചിത്രം 3.ab: ക്രിസ്റ്റലിന്റെ A-ആക്സിസിലും B-ആക്സിസിലും രേഖീയമായി ധ്രുവീകരിക്കപ്പെട്ട പ്രകാശ ധ്രുവീകരണ ദിശയുടെ ആപേക്ഷിക ഇന്റർലെയർ ചലനവും അനുബന്ധ ചലന രീതിയും ചിത്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നു; C. സൈദ്ധാന്തിക സിമുലേഷനും പരീക്ഷണ നിരീക്ഷണവും തമ്മിലുള്ള താരതമ്യം; de: സിസ്റ്റത്തിന്റെ സമമിതി പരിണാമവും kz=0 തലത്തിലെ ഏറ്റവും അടുത്തുള്ള രണ്ട് വെയിൽ പോയിന്റുകളുടെ വേർതിരിവിന്റെ സ്ഥാനവും സംഖ്യയും ഡിഗ്രിയും.

ചിത്രം 4. രേഖീയ ധ്രുവീകരണ പ്രകാശ ഫോട്ടോൺ ഊർജ്ജം (?) ω) നും ധ്രുവീകരണ ദിശ (θ) ആശ്രിത ഘട്ട ഡയഗ്രമിനും Td-WTe2 ലെ ഫോട്ടോടോപോളജിക്കൽ ഘട്ട പരിവർത്തനം.