Topologiske defekter spiller en avgjørende rolle i faseovergangsprosessen. Ta teorien om tidlig universdannelse som et eksempel, etter Big Bang, avkjølte universet raskt, noe som utløste en rekke spontane faseoverganger. teoretiske fysikere, som Tom Kibble, har foreslått at topologiske defekter vil bli generert sammen med disse faseovergangene ved fallende temperaturer, og disse defektene er kjent som kosmiske strenger. Siden det fortsatt er vanskelig å direkte observere dannelsesprosessen til kosmiske strenger med nåværende eksperimentelle midler, utforsker folk også bruken av andre systemer for å studere topologiske defekter, og kvantematerialer gir en ideell plattform for å studere dannelsesprosessen av topologiske defekter ved mikroskopisk nivå. I studiet av kvantematerialer genereres ikke topologiske defekter bare i temperaturfall, men også forbigående topologiske defekter kan genereres ved femtosekundstråleeksitasjon, og disse defektene induserer ofte egenskaper eller faseoverganger som ikke eksisterer i likevekt, for eksempel lys- induserte isolator-metall faseoverganger og superledende-lignende oppførsel. I likhet med problemet med kosmiske strenger, har den dynamiske dannelsen av fotoinduserte topologiske defekter manglet eksperimentelle observasjoner i mikroskopiske skalaer og ultrakorte tidsskalaer, og det er mangel på konsensus om den nøyaktige tiden som kreves for topologisk defektdannelse.
Bilde Figur 1: Femtosekund laserindusert generering av topologiske defekter
For å kunne studere dannelsesprosessen til disse defektene både i den romlige skalaen av nanometer og tidsskalaen for femtosekunder, ledet en gruppe av Prof. Wizard ved School of Physics and Astronomy/Zhangjiang Institute of Advanced Studies og akademiker Jie Zhang fra School of Physics and Astronomy/Li Zhendao Research Institute ved Shanghai Jiao Tong University samarbeidet nylig med forskere fra Shanghai University of Science and Technology (SUSTech), University of California, Berkeley og Los Angeles, Brookhaven National Laboratory (BNL) ), og Universitetet i Amsterdam (UA). I samarbeid med forskere ved University of California, Berkeley og Los Angeles, Brookhaven National Laboratory og University of Amsterdam, har gruppen brukt et mega-volt ultrarask elektrondiffraksjonssystem utviklet uavhengig med støtte fra National Research Instrumentation Program til China Foundation for Science and Technology (CNRI), og har observert, i sanntid og på atomskala, dynamikken til dannelse av topologiske defekter i ladningstetthetsbølgematerialet 1T-TiSe2 under optisk eksitasjon (fig. 1). Arbeidet ble nylig publisert i Nature Physics under tittelen "Ultrafast formation of topological defects in a 2D charge density wave".
I motsetning til direkte avbildning av defekter i det virkelige rommet, bruker dette eksperimentet diffraksjon for å få strukturell informasjon om defekter, da forskjellige defektstrukturer danner forskjellige diffraksjonsfingeravtrykk i invers rom (fig. 2). Etter å ha analysert og simulert diffraksjonstoppene så vel som de diffuse spredningssignalene, har forskerteamet vellykket dekodet den dynamiske prosessen med materialstruktur og topologiske defekter etter lyseksitasjon.
Bilde 2: Skjematisk representasjon av diffraksjonspunktinformasjon som tilsvarer ulike strukturfordelinger
Eksperimentene ble utført på 2D kvantematerialet 1T-TiSe2, som gjennomgår en ladningstetthetsbølge (CDW) faseovergang nær 200 K. Teamet fant i tidligere eksperimenter at strukturen til CDW i noen av lagene kan kontrolleres i en ryddig måte av en svak femtosekundlaser for å forårsake en inversjon av hele laget når temperaturen er under 200 K. Som et resultat kan det dannes et domene med en 2D elektronisk tilstand ved grensesnittet til den originale CDW og CDW til den inverterte lag. domenevegg med todimensjonale elektroniske tilstander [Nature 595,239(2021)]. Etter hvert som energitettheten til pumpelaseren fortsetter å øke, øker antallet CDW-lag som gjennomgår strukturell inversjonsadferd gradvis, og den tredimensjonale CDW blir fullstendig transformert til en todimensjonal CDW uten korrelasjon mellom lagene [Nature Communications 13, 963 (2022)].
I denne studien valgte teamet måletemperaturen over 200 K, som er tilstanden der bare in-plane 2D CDW eksisterer i 1T-TiSe2. Ved å analysere det diffuse spredningssignalet i diffraksjonspunktet, som er omtrent 1000 ganger svakere enn det konvensjonelle Bragg-toppsignalet (fig. 3), fant teamet at den todimensjonale CDW i fasetten også gjennomgår en lignende inversjonsprosess som de tre. -dimensjonal CDW, dvs. det eksisterer en enkeltstrenget CDW-inversjon i fasetten, og at denne inversjonsprosessen induserer dannelsen av en endimensjonal domenevegg, dvs. endimensjonale topologiske defekter, i laget (se skjematisk diagram i nedre venstre hjørne av fig. 2).
Takket være den ultrahøye tidsmessige oppløsningen og signal-til-støy-forholdet til systemet, mens de målte 1D-domeneveggene, fant gruppen også at den samme tidsskalaen til defektformasjonen er ledsaget av noen diffuse spredningssignaler med spesielle distribusjoner i det omvendte rommet. Kombinert med teoretiske simuleringer av diffuse spredningssignaler og relatert dynamikk, fant teamet at disse signalene kommer fra langsgående akustiske fononer generert av optisk eksitasjon, og at disse langsgående akustiske fononene er den utløsende faktoren for dannelsen av kjededomeneveggdefektene nevnt ovenfor. .
Dette arbeidet viser for første gang defektdannelsesprosessen i sub-pikosekunders tidsskala og nøkkelrollen til gittervibrasjoner i prosessen, som vil gi viktig informasjon for fremtidig forståelse av naturen til ikke-likevektsstoff og rollen til topologisk. defekter, og fonondynamikkanalysemetoden kan også bidra til å forstå energikonverteringsmekanismen i kvantematerialer, termoelektriske materialer og andre nye energimaterialer ytterligere.
Dette arbeidet ble støttet av Kinas nasjonale nøkkelforsknings- og utviklingsprogram (nr. 2021YFA1400202), National Natural Science Foundation of China (NNSFC) (nr. 11925505, 12005132, 11504232 og 11721091), hovedprogrammet til Shanghai kommunale kommisjon Vitenskap og teknologi (nr. 16DZ2260200), US Department of Energy (DOE) og US National Science Foundation (NSF). Stiftelsen (NSF). Dr. Yun Cheng (uteksaminert) fra Shanghai Jiaotong University og Dr. Alfred Zong, Miller Fellow ved University of California, Berkeley (snart assisterende professor ved Stanford University) er de første forfatterne av artikkelen.
