Topologické defekty hrají zásadní roli v procesu fázového přechodu. Vezmeme-li jako příklad teorii raného vzniku vesmíru, po Velkém třesku se vesmír rychle ochladil, což vyvolalo řadu spontánních fázových přechodů. teoretičtí fyzici, jako je Tom Kibble, navrhli, že topologické defekty by byly generovány spolu s těmito fázovými přechody při klesajících teplotách, a tyto defekty jsou známé jako kosmické struny. Vzhledem k tomu, že je stále obtížné přímo pozorovat proces formování kosmických strun současnými experimentálními prostředky, lidé také zkoumají využití jiných systémů ke studiu topologických defektů a kvantové materiály poskytují ideální platformu pro studium procesu tvorby topologických defektů v mikroskopická úroveň. Při studiu kvantových materiálů nejsou topologické defekty generovány pouze poklesem teploty, ale také přechodné topologické defekty mohou být generovány buzením femtosekundového paprsku a tyto defekty často vyvolávají vlastnosti nebo fázové přechody, které neexistují v rovnováze, jako je světlo- indukované fázové přechody izolátor-kov a chování podobné supravodivosti. Podobně jako u problému kosmických řetězců, dynamická tvorba fotoindukovaných topologických defektů postrádala experimentální pozorování v mikroskopických měřítcích a ultrakrátkých časových měřítcích a neexistuje shoda ohledně přesného času potřebného pro vytvoření topologického defektu.
Obrázek Obrázek 1: Generování topologických defektů indukované femtosekundovým laserem
Aby bylo možné studovat proces vzniku těchto defektů jak v prostorovém měřítku nanometrů, tak v časovém měřítku femtosekund, skupina vedená prof. Wizardem ze School of Physics and Astronomy/Zhangjiang Institute of Advanced Studies a akademikem Jie Zhang ze School of Physics and Astronomy/Li Zhendao Research Institute na Shanghai Jiao Tong University nedávno spolupracoval s výzkumníky z Shanghai University of Science and Technology (SUSTech), University of California, Berkeley a Los Angeles, Brookhaven National Laboratory (BNL ), a University of Amsterdam (UA). Ve spolupráci s výzkumníky z University of California, Berkeley a Los Angeles, Brookhaven National Laboratory a University of Amsterdam skupina využila megavoltový ultrarychlý elektronový difrakční systém vyvinutý nezávisle s podporou National Research Instrumentation Program of Čínská nadace pro vědu a technologii (CNRI) a pozoroval v reálném čase a v atomovém měřítku dynamiku tvorby topologických defektů v materiálu s vlnovou hustotou náboje 1T-TiSe2 při optické excitaci (obr. 1). Práce byla nedávno publikována v Nature Physics pod názvem „Ultrarychlá tvorba topologických defektů ve 2D vlně hustoty náboje“.
Na rozdíl od přímého zobrazování defektů v reálném prostoru tento experiment využívá k získání strukturních informací defektů difrakci, protože různé struktury defektů vytvářejí různé difrakční otisky v inverzním prostoru (obr. 2). Po analýze a simulaci difrakčních píků i signálů difuzního rozptylu výzkumný tým úspěšně dekódoval dynamický proces struktury materiálu a topologických defektů po excitaci světlem.
Obrázek 2: Schematické znázornění informací o difrakčním bodu odpovídající různým rozložením struktur
Experimenty byly prováděny na 2D kvantovém materiálu 1T-TiSe2, který prochází fázovým přechodem vlny hustoty náboje (CDW) blízko 200 K. Tým v minulých experimentech zjistil, že strukturu CDW v některých vrstvách lze řídit v řádným způsobem slabým femtosekundovým laserem způsobit inverzi celé vrstvy, když je teplota pod 200 K. Výsledkem je, že na rozhraní původního CDW a CDW invertovaného může vzniknout doména s 2D elektronickým stavem. vrstva. doménová stěna s dvourozměrnými elektronickými stavy [Nature 595,239(2021)]. Jak hustota energie čerpacího laseru stále roste, počet vrstev CDW, které podléhají strukturně inverznímu chování, se postupně zvyšuje a trojrozměrný CDW se zcela přemění na dvourozměrný CDW bez korelace mezi vrstvami [Nature Communications 13, 963 (2022)].
V této studii tým zvolil teplotu měření nad 200 K, což je stav, ve kterém v 1T-TiSe2 existuje pouze 2D CDW v rovině. Analýzou signálu difuzního rozptylu v difrakční skvrně, která je asi 1000krát slabší než konvenční Braggův špičkový signál (obr. 3), tým zjistil, že dvourozměrný CDW uvnitř fasety také prochází podobným inverzním procesem jako tři -dimenzionální CDW, tj. existuje jednořetězcová CDW inverze uvnitř fasety a že tento proces inverze indukuje tvorbu jednorozměrné doménové stěny, tj. jednorozměrných topologických defektů, uvnitř vrstvy (viz schematický diagram v levý dolní roh obr. 2).
Díky ultra vysokému časovému rozlišení a poměru signálu k šumu systému při měření 1D doménových stěn skupina také zjistila, že stejné časové měřítko vzniku defektu je doprovázeno některými rozptýlenými rozptylovými signály se speciálním rozložením v inverzní prostor. V kombinaci s teoretickými simulacemi signálů difúzního rozptylu a související dynamiky tým zjistil, že tyto signály pocházejí z podélných akustických fononů generovaných optickou excitací a že tyto podélné akustické fonony jsou spouštěcím faktorem pro tvorbu defektů stěny řetězové domény zmíněných výše. .
Tato práce poprvé ukazuje proces tvorby defektů v sub-pikosekundovém časovém měřítku a klíčovou roli mřížkové vibrace v procesu, což poskytne důležité informace pro budoucí pochopení povahy nerovnovážné hmoty a role topologické defektů a metoda fononové dynamické analýzy může také pomoci dále porozumět mechanismu přeměny energie v kvantových materiálech, termoelektrických materiálech a dalších nových energetických materiálech.
Tato práce byla podpořena Národním klíčovým výzkumným a vývojovým programem Číny (č. 2021YFA1400202), Čínskou národní přírodní vědeckou nadací (NNSFC) (č. 11925505, 12005132, 11504232 a 11721091), Hlavním programem městské komise Šanghaje Věda a technologie (č. 16DZ2260200), Ministerstvo energetiky USA (DOE) a Národní vědecká nadace USA (NSF). nadace (NSF). Dr. Yun Cheng (promoval) na Shanghai Jiaotong University a Dr. Alfred Zong, Miller Fellow na University of California, Berkeley (brzy bude odborným asistentem na Stanford University) jsou spolu prvními autory článku.
