[논문 리뷰] Anomalous Rabi oscillation and related dynamical polarizations under the off-resonance circularly polarized light

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 10.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 26인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 실리센에서 비공명 주파수의 원형 편광 빛에 의해 유도되는 이방성 라비 진동 현상을 조사하며, 허위스핀, 밸리, 스핀 자유도의 운동량 및 준에너지 의존성 동역학을 드러낸다. 이는 고에너지 상태를 자극하지 않고 밴드 구조 공학을 통해 위상적 전이를 유도할 수 있음을 보여주며, 비양자론적 플로케트 방법을 통해 중심질량 운동과 동적 분극화에서 붕괴-재생 패턴을 관찰한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비공명 주파수의 원형 편광 빛 하에서 실리센의 허위스핀, 밸리, 스핀 자유도의 비평형 동역학을 탐구하기 위해.
• 비공명 빛이 고에너지 상태를 할당하지 않고 위상적 전이를 어떻게 유도하는지, 공명 자극과 대비하여 조사하기 위해.
• 방사선에 의해 유도되는 동적 분극화의 역할을 분석하여 이방성 라비 진동과 붕괴-재생 현상을 생성하는 원리를 규명하기 위해.
• 중심질량 운동과 기초적인 스핀 및 허위스핀 분극화 동역학 간의 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 결과를 두께가 두꺼운 디르락 재료 및 위상적 시스템, 예를 들어 와일 반도체에까지 확장하기 위해.

제안 방법

• 고주파 비공명 원형 편광 빛 하에서 시스템을 모델링하기 위해 점점 가까워지는 회전파장 근사(ARWA)를 사용한다.
• 주기적인 외부 자극 하에서 준에너지 밴드 구조의 변화를 기술하는 효과적 해밀토니안을 유도하기 위해 플로케트 형식을 사용한다.
• 조화 터널 내 중심질량 웨이브 패킷의 시간 진화를 모델링하기 위해 그로스-피타에프스키 방정식 근사를 적용한다.
• 초기 조건과 시스템 매개변수에 따라 의존하는余弦 및 사인 함수의 중첩으로 구성된 중심질량 운동에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 원형 편광 빛을 모델링하기 위해 복소수 벡터 포텐셜을 도입하여, 비가환적인 파울리 행렬 동역학을 가능하게 한다.
• 스핀오비트 결합(SOC), 레이저 카이프(κ), 그리고 초기 웨이브 패킷 매개변수(x₀, R) 간의 상호작용을 분석하여 붕괴-재생 행동을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리센에서 비공명 주파수의 원형 편광 빛 하에서 허위스핀, 밸리, 스핀 자유도는 어떻게 진화하는가?
• RQ2 비공명 영역에서 이방성 라비 주파수의 기원과 성격은 무엇이며, 전통적인 라비 진동과 어떻게 다를까?
• RQ3 비공명 주파수의 원형 편광 빛이 고에너지 전자 상태를 할당하지 않고도 위상적 전이를 일으킬 수 있는가?
• RQ4 중심질량 운동이 붕괴-재생 동역학을 보일 조건은 무엇이며, 기초적인 스핀 및 허위스핀 분극화와 어떻게 연결되는가?
• RQ5 결과가 다른 두께가 두꺼운 디르락 재료 및 와일 반도체와 같은 위상적 시스템으로 얼마나 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 비공명 주파수의 원형 편광 빛에 의해 실리센에서 비가환적인 파울리 행렬에 의해 유도되는 이방성 라비 진동이 발생하며, 직접 흡수 대신 2차 과정에 의해 유도된다.
• 시스템은 고에너지 상태를 자극하지 않고도 비자명한 상태로의 광유도 위상 전이를 나타내며, 이는 비자명한 카른 수를 가진 준에너지 밴드의 변화를 통해 이루어진다.
• 초기 좌표와 웨이브 패킷 너비가 허위스핀 성분 간에 다를 경우 중심질량 운동에서 붕괴-재생 패턴이 관찰되며, 동일한 매개변수일 경우 비트 현상이 사라진다.
• 중심질량 운동은 약간의 그로스-피타에프스키 방정식에서 유도된余弦 및 사인 함수의 중첩에 의해 지배되며, SOC, 레이저 카이프(κ = 1 ps²), 그리고 초기 조건에 명시적인 의존성을 가진다.
• 수직 방향 스핀 분극화와 중심질량 운동은 방사선장과 이중성분 동적 분극화 간의 교환에 의해 크게 영향을 받으며, 특히 도플 분극 진동의 위상 차이를 통해 영향을 받는다.
• 결과는 다른 두께가 두꺼운 디르락 재료, 위상 절연체 표면, 그리고 와일 반도체로 일반화 가능하며, 빛 제어를 통한 위상적 전이 공학을 가능하게 한다.