DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-026-03274-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42539531
تاريخ النشر: 2026-05-12
المؤلف: Olga Minakova وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء المادة المكثفة المتقدمة
طرق
في هذا القسم، يقدم المؤلفون إطارًا تجريبيًا للتحقيق في نقل الزخم الزاوي بين أوضاع الشبكة من خلال عملية تشتت ثلاثي الفونونات المتماسكة، باستخدام تشتت رامان الأيوني في العازل الطوبولوجي Bi\(_2\)Se\(_3\). تركز الدراسة على الاقتران غير التوافقي بين وضع E\(_u\) النشط في الأشعة تحت الحمراء (IR) عند 2.0 THz ووضع E\(_g\) النشط في رامان عند 4.0 THz، والذي يلبي شرط الرنين \(2\Omega_{\text{IR}} = \Omega_{\text{R}}\). يهدف التصميم التجريبي إلى ملاحظة ديناميات نقل الزخم الزاوي دون الاعتماد على التأثيرات المغناطيسية الضوئية، بل باستخدام تأثير كير الناتج عن THz غير المغناطيسي لتتبع وضع E\(_g\) المتصل.
يتضمن الإعداد التجريبي توليد نبضات THz أحادية الدورة مكثفة ومزامنتها مع نبضات استكشاف ضوئية لقياس التغيرات في الاستقطاب بسبب الانكسار الثنائي المؤقت الناتج عن حقول THz. يستخدم المؤلفون نظام كشف متوازن لتحليل التغيرات في الاستقطاب، والتي تتأثر بكل من نبضات THz والفونونات النشطة في رامان المثارة بشكل متماسك. تسمح هذه الطريقة بملاحظة تبديل الحلزونية بين أوضاع الفونون، مما يظهر الحفاظ على الزخم الزاوي البلوري ويوفر رؤى حول آليات نقل الزخم الزاوي بين الفونونات.
مناقشة
في هذه الدراسة، يستكشف المؤلفون إعداد وملاحظة حالات الزخم الزاوي للفونونات المتماسكة في طبقة أحادية البلورة من Bi\(_2\)Se\(_3\) باستخدام نبضات THz مستقطبة دائريًا. يتضمن الإعداد التجريبي قيادة وضع E\(_u\) للبلورة بشكل رنيني واستخدام استكشاف في نطاق الزمن مع نبضة استكشاف مدتها 20 فيمتوثانية لالتقاط الانكسار الثنائي المؤقت الناتج عن الفونونات المتماسكة. تكشف النتائج عن تذبذب سائد عند 4.0 THz، مما يشير إلى آليات إثارة غير خطية، مثل امتصاص الفوتونين أو اقتران الفونونات، والتي تم تأكيدها من خلال الاعتماد التربيعي للحقل على سعة الفونون. توضح الدراسة أول إعداد وقياس مدفوع بـ THz لحالة الزخم الزاوي للفونونات المتماسكة، والتي تتميز بفارق طور قدره -π/2 بين مكونات الفونون العمودية، مما يؤدي إلى ملاحظة الحلزونات المعاكسة مقارنة بحقل THz المدفوع.
يستكشف المؤلفون أيضًا آليات نقل الزخم الزاوي، مميزين بين المسارات الضوئية والفونونية لدفع وضع E\(_g\). تشير نتائجهم إلى أن الآلية الفونونية، التي تتضمن الاقتران غير التوافقي، هي المحرك الرئيسي لديناميات الفونون الملاحظة. من الجدير بالذكر أن الدراسة تقيس نقل الزخم الزاوي، كاشفة أن حوالي 3% من الزخم الزاوي لـ E\(_u\) يتم تحويله إلى وضع E\(_g\)، مع تداعيات لفهم تفاعلات الفونون-فونون والحفاظ على الزخم الزاوي في الأنظمة البلورية. تشير النتائج إلى أن عدم التوافق في شبكة البلورة يسهل نقل الزخم الزاوي للفونونات، مما قد يكون له تداعيات كبيرة على ديناميات الدوران الفائقة السرعة والتحكم في الحالات الطوبولوجية في مواد مثل Bi\(_2\)Se\(_3\).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-026-03274-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42539531
Publication Date: 2026-05-12
Author(s): Olga Minakova et al.
Primary Topic: Advanced Condensed Matter Physics
Methods
In this section, the authors present an experimental framework to investigate angular momentum transfer between lattice modes through a coherent three-phonon scattering process, specifically utilizing ionic Raman scattering in the topological insulator Bi\(_2\)Se\(_3\). The study focuses on the anharmonic coupling between an infrared (IR)-active E\(_u\) mode at 2.0 THz and a Raman-active E\(_g\) mode at 4.0 THz, which satisfies the resonance condition \(2\Omega_{\text{IR}} = \Omega_{\text{R}}\). The experimental design aims to observe the dynamics of angular momentum transfer without relying on magneto-optic effects, instead employing the non-magnetic THz-induced Kerr effect to track the coupled E\(_g\) mode.
The experimental setup involves generating intense single-cycle THz pulses and synchronizing them with optical probe pulses to measure changes in polarization due to transient birefringence induced by the THz fields. The authors utilize a balanced detection scheme to analyze the polarization alterations, which are influenced by both the THz pulses and the coherently excited Raman-active phonons. This approach allows for the observation of a helicity switch between the phonon modes, demonstrating the conservation of crystal angular momentum and providing insights into phonon-phonon angular momentum transfer mechanisms.
Discussion
In this study, the authors investigate the preparation and observation of coherent phonon angular momentum states in a Bi\(_2\)Se\(_3\) single-crystal epilayer using circularly polarized THz pulses. The experimental setup involves resonantly driving the E\(_u\) mode of the crystal and employing time-domain probing with a 20-fs probe pulse to capture the transient birefringence induced by coherent phonons. The results reveal a dominant oscillation at 4.0 THz, indicating nonlinear excitation mechanisms, such as two-photon absorption or phonon coupling, which are confirmed by the quadratic field dependence of the phonon amplitude. The study demonstrates the first THz-driven preparation and measurement of a coherent phonon angular momentum state, characterized by a phase difference of -π/2 between orthogonal phonon components, leading to the observation of opposite helicities compared to the driving THz field.
The authors further explore the mechanisms of angular momentum transfer, distinguishing between photonic and phononic pathways for driving the E\(_g\) mode. Their findings indicate that the phononic mechanism, involving anharmonic coupling, is the primary driver for the observed phonon dynamics. Notably, the study quantifies the angular momentum transfer, revealing that approximately 3% of the E\(_u\) angular momentum is converted to the E\(_g\) mode, with implications for understanding phonon-phonon interactions and angular momentum conservation in crystalline systems. The results suggest that the anharmonicity of the crystal lattice facilitates phonon angular momentum transfer, which may have significant implications for ultrafast spin dynamics and the control of topological states in materials like Bi\(_2\)Se\(_3\).