Topologické defekty hrajú kľúčovú úlohu v procese fázového prechodu. Ak si vezmeme ako príklad teóriu vzniku raného vesmíru, po Veľkom tresku sa vesmír rýchlo ochladil, čo spustilo sériu spontánnych fázových prechodov. teoretickí fyzici, ako napríklad Tom Kibble, navrhli, že topologické defekty by sa generovali spolu s týmito fázovými prechodmi pri klesajúcich teplotách a tieto defekty sú známe ako kozmické struny. Keďže je stále ťažké priamo pozorovať proces formovania kozmických strún súčasnými experimentálnymi prostriedkami, ľudia tiež skúmajú využitie iných systémov na štúdium topologických defektov a kvantové materiály poskytujú ideálnu platformu na štúdium procesu tvorby topologických defektov v mikroskopická úroveň. Pri štúdiu kvantových materiálov sa topologické defekty negenerujú len pri poklesoch teploty, ale aj prechodné topologické defekty môžu byť generované excitáciou femtosekundového lúča a tieto defekty často vyvolávajú vlastnosti alebo fázové prechody, ktoré neexistujú v rovnováhe, ako napr. indukované fázové prechody izolátor-kov a správanie podobné supravodivosti. Podobne ako pri probléme kozmických strún, dynamickej tvorbe foto-indukovaných topologických defektov chýbali experimentálne pozorovania v mikroskopických mierkach a ultrakrátkych časových mierkach a neexistuje konsenzus o presnom čase potrebnom na tvorbu topologických defektov.
Obrázok 1: Generovanie topologických defektov vyvolané femtosekundovým laserom
Aby bolo možné študovať proces vzniku týchto defektov v priestorovej mierke nanometrov aj v časovej škále femtosekúnd, skupina vedená Prof. Wizardom z Fakulty fyziky a astronómie/Zhangjiang Institute of Advanced Studies a akademika Jie Zhang z Fakulty fyziky a astronómie/Li Zhendao Research Institute na Shanghai Jiao Tong University nedávno spolupracoval s výskumníkmi z Shanghai University of Science and Technology (SUSTech), University of California, Berkeley a Los Angeles, Brookhaven National Laboratory (BNL a Amsterdamská univerzita (UA). V spolupráci s výskumníkmi na University of California, Berkeley a Los Angeles, Brookhaven National Laboratory a University of Amsterdam skupina využila megavoltový ultrarýchly elektrónový difrakčný systém vyvinutý nezávisle s podporou National Research Instrumentation Programme of Čínska nadácia pre vedu a techniku (CNRI) a pozoroval v reálnom čase a v atómovom meradle dynamiku tvorby topologických defektov v materiáli s vlnovou hustotou náboja 1T-TiSe2 pri optickej excitácii (obr. 1). Práca bola nedávno publikovaná v Nature Physics pod názvom „Ultrarastná tvorba topologických defektov v 2D vlne hustoty náboja“.
Na rozdiel od priameho zobrazovania defektov v reálnom priestore tento experiment využíva difrakciu na získanie štrukturálnych informácií o defektoch, keďže rôzne štruktúry defektov vytvárajú rôzne difrakčné odtlačky prstov v inverznom priestore (obr. 2). Po analýze a simulácii difrakčných vrcholov, ako aj signálov difúzneho rozptylu, výskumný tím úspešne dekódoval dynamický proces štruktúry materiálu a topologických defektov po excitácii svetlom.
Obrázok 2: Schematické znázornenie informácií o difrakčnom bode zodpovedajúcich rôznym distribúciám štruktúr
Experimenty sa uskutočnili na 2D kvantovom materiáli 1T-TiSe2, ktorý prechádza fázovým prechodom vlny hustoty náboja (CDW) blízko 200 K. Tím v minulých experimentoch zistil, že štruktúra CDW v niektorých vrstvách môže byť kontrolovaná v riadnym spôsobom slabým femtosekundovým laserom spôsobiť inverziu celej vrstvy, keď je teplota pod 200 K. Výsledkom je, že na rozhraní pôvodného CDW a CDW invertovaného môže vzniknúť doména s 2D elektronickým stavom. vrstva. doménová stena s dvojrozmernými elektronickými stavmi [Nature 595,239(2021)]. Ako sa hustota energie pumpového lasera neustále zvyšuje, počet vrstiev CDW, ktoré podliehajú štrukturálnemu inverznému správaniu, sa postupne zvyšuje a trojrozmerný CDW sa úplne transformuje na dvojrozmerný CDW bez korelácie medzi vrstvami [Nature Communications 13, 963 (2022)].
V tejto štúdii tím zvolil teplotu merania nad 200 K, čo je stav, v ktorom v 1T-TiSe2 existuje iba 2D CDW v rovine. Analýzou signálu difúzneho rozptylu v difrakčnej škvrne, ktorá je asi 1000-krát slabšia ako konvenčný Braggov špičkový signál (obr. 3), tím zistil, že dvojrozmerný CDW vo fazete tiež prechádza podobným inverzným procesom ako tri -rozmerná CDW, tj existuje jednovláknová inverzia CDW vo fazete a že tento proces inverzie indukuje tvorbu jednorozmernej doménovej steny, tj jednorozmerných topologických defektov vo vrstve (pozri schematický diagram v ľavom dolnom rohu obr. 2).
Vďaka ultra vysokému časovému rozlíšeniu a pomeru signálu k šumu systému pri meraní 1D doménových stien skupina tiež zistila, že rovnaký časový rozsah tvorby defektu je sprevádzaný niektorými difúznymi rozptylovými signálmi so špeciálnymi distribúciami v inverzný priestor. V kombinácii s teoretickými simuláciami signálov difúzneho rozptylu a súvisiacej dynamiky tím zistil, že tieto signály pochádzajú z pozdĺžnych akustických fonónov generovaných optickou excitáciou a že tieto pozdĺžne akustické fonóny sú spúšťacím faktorom pre vznik defektov steny reťazovej domény uvedených vyššie. .
Táto práca po prvýkrát ukazuje proces tvorby defektov v sub-pikosekundovej časovej škále a kľúčovú úlohu vibrácií mriežky v procese, čo poskytne dôležité informácie pre budúce pochopenie povahy nerovnovážnej hmoty a úlohy topologických defekty a metóda analýzy fonónovej dynamiky môže tiež pomôcť lepšie pochopiť mechanizmus premeny energie v kvantových materiáloch, termoelektrických materiáloch a iných nových energetických materiáloch.
Táto práca bola podporená Národným kľúčovým výskumným a vývojovým programom Číny (č. 2021YFA1400202), Čínskou národnou nadáciou pre prírodné vedy (NNSFC) (č. 11925505, 12005132, 11504232 a 11721091), hlavným programom mestskej komisie Šanghaja Veda a technika (č. 16DZ2260200), Ministerstvo energetiky USA (DOE) a Národná vedecká nadácia USA (NSF). Nadácia (NSF). Dr. Yun Cheng (promovaný) na Shanghai Jiaotong University a Dr. Alfred Zong, Miller Fellow na University of California, Berkeley (čoskoro bude odborným asistentom na Stanfordskej univerzite) sú spolu prvými autormi článku.
