[論文レビュー] Anomalous Rabi oscillation and related dynamical polarizations under the off-resonance circularly polarized light

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2018

Topological Materials and Phenomena参考文献 26被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、シリサイレンにおける非共鳴の円偏光光によって誘発される異常ラビ振動を調査し、擬スピン、谷、スピン自由度の運動量および準エネルギー依存のダイナミクスを明らかにした。このような光は、高エネルギー状態を励起せずにバンド構造工学を用いてトポロジカル位相転移を誘発できることを示し、非摂動的フロケアプローチにより、重心運動および動的分極における崩壊・再発パターンを観測した。

ABSTRACT

We investigate the photoinduced effect to the silicene, which is a topological insulator, by the circularly polarized light in off-resonance regime with a frequency much larger than the critical value (also much larger than the frequency about the particle-hole pair creation), and with a perpendicular electric field. The anomalous Rabi frequency which is a non-linear optical, arised by the off-resonance circularly polarized light. The temporal behavior of the pseudospin, valley, and spin degrees of freedom, which are momentum- and quasienergy-dependent, are explored. The anomalous Rabi oscillation is also related to the photoinduced topological phase transition between the topological trivial state with zero Chern number and gapped edge state and the topological nontrivial state with nonzero Chern number and gapless edge state. The off-resonance laser can also induce the topological phase transition by manipulating the energy band structure, rather than excite the atoms to the high quantum-number states like the resonance light. The exchange between the radiation driving field and the two-component dynamical polarizations with the dipole oscillation, plays a important role in the determination of the out-of-plane spin polarization and the motion of the center of mass, which can induced a collapse-and-revival pattern under a certain condition. The Rabi oscillation observed in the motion of the center of mass in a laser-induced harmonic potential can be used to detect the time evolution of the atom polulation. Our results can also be applied to the other two-dimension low-energy Dirac models or the surface of the three-dimension topological insulators, and even the weyl semimetal with the photoinduced topological phase transition.

研究の動機と目的

• 非共鳴の円偏光光の下でのシリサイレンにおける擬スピン、谷、スピン自由度の非平衡ダイナミクスを調査すること。
• 非共鳴光が高エネルギー状態を励起せずにトポロジカル位相転移を誘発するメカニズムを、共鳴励起と対比して調査すること。
• 放射場駆動による動的分極が異常ラビ振動および崩壊・再発現象を生成する役割を分析すること。
• 重心の運動と背後にあるスピンおよび擬スピン分極ダイナミクスを結びつける理論的枠組みを確立すること。
• 得られた結果を、Weyl半金属を含む、より広範な2次元ディラック材料およびトポロジカル系に拡張すること。

提案手法

• 高周波非共鳴円偏光光の下での系をモデル化するため、漸近的回転波近似（ARWA）を用いる。
• フロケ形式を用いて、周期的駆動下での準エネルギー帯構造の変更を記述する有効ハミルトニアンを導出する。
• 調和ポテンシャル内の重心波パッケットの時間発展をモデル化するため、グロス＝ピタエフケン方程式の近似を適用する。
• 重心運動の解析的表現を導出し、初期条件および系のパラメータに依存する余弦および正弦関数の重ね合わせであることを示す。
• 円偏光光をモデル化するための複素ベクトルポテンシャルを導入し、非可換なパウリ行列のダイナミクスを可能にする。
• スピン軌道相互作用（SOC）、レーザー chirp（κ）および初期波パッケットパラメータ（x₀, R）の相互作用を分析し、崩壊・再発行動を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリサイレンにおける非共鳴円偏光光の下で、擬スピン、谷、スピン自由度はどのように時間発展するか？
• RQ2 非共鳴領域における異常ラビ周波数の起源と性質は何か？また、従来のラビ振動とはどのように異なるか？
• RQ3 非共鳴円偏光光は、高励起電子状態を励起せずにトポロジカル位相転移を誘発できるか？
• RQ4 重心運動が崩壊・再発ダイナミクスを示す条件は何か？また、それらは背後にあるスピンおよび擬スピン分極とどのように関連しているか？
• RQ5 得られた結果は、他の2次元ディラック材料およびWeyl半金属を含むトポロジカル系へどの程度一般化可能か？

主な発見

• 非可換なパウリ行列に起因する2次過程によって駆動される非共鳴円偏光光の下で、シリサイレンに異常ラビ振動が出現する。直接吸収によるものではない。
• バンド構造工学を用いることで、非自明な状態（非ゼロのチーン数を有する）への光誘起トポロジカル位相転移が観測され、高エネルギー状態への励起は行われない。
• 初期座標および波パッケット幅が擬スピン成分間で異なる場合、重心運動に崩壊・再発パターンが観測されるが、パラメータが等しい場合には揺動が消失する。
• 重心運動は、近似的なグロス＝ピタエフケン方程式から導かれる余弦および正弦関数の重ね合わせによって支配され、SOC、レーザー chirp（κ = 1 ps²）および初期条件に明示的な依存性を示す。
• 垂直方向スピン分極および重心運動は、放射場と2成分の動的分極の間の交換に強く依存し、特に電気双極子振動の位相差によって強く影響を受ける。
• 結果は、他の2次元ディラック材料、トポロジカル絶縁体の表面、およびWeyl半金属へ一般化可能であり、光制御によるトポロジカル位相工学を可能にする。