Топологічні дефекти відіграють вирішальну роль у процесі фазового переходу. Якщо взяти як приклад теорію раннього формування Всесвіту, то після Великого вибуху Всесвіт швидко охолонув, що викликало серію спонтанних фазових переходів. фізики-теоретики, такі як Том Кіббл, припустили, що топологічні дефекти будуть генеруватися разом із цими фазовими переходами при різких падіннях температур, і ці дефекти відомі як космічні струни. Оскільки все ще важко безпосередньо спостерігати за процесом формування космічних струн за допомогою сучасних експериментальних засобів, люди також досліджують можливість використання інших систем для вивчення топологічних дефектів, а квантові матеріали забезпечують ідеальну платформу для вивчення процесу формування топологічних дефектів на мікроскопічний рівень. При вивченні квантових матеріалів топологічні дефекти виникають не тільки при падіннях температури, а й тимчасові топологічні дефекти можуть утворюватися фемтосекундним збудженням пучка, і ці дефекти часто індукують властивості або фазові переходи, які не існують у рівновазі, такі як світло- індуковані фазові переходи ізолятор-метал і поведінка, подібна до надпровідності. Подібно до проблеми космічних струн, динамічному утворенню фотоіндукованих топологічних дефектів не вистачає експериментальних спостережень на мікроскопічних масштабах і ультракоротких масштабах часу, а також немає консенсусу щодо точного часу, необхідного для утворення топологічного дефекту.
Зображення Рисунок 1: Генерація топологічних дефектів, викликана фемтосекундним лазером
Для того, щоб мати можливість вивчати процес утворення цих дефектів як у просторовому масштабі нанометрів, так і в часовому масштабі фемтосекунд, група під керівництвом професора Візарда зі Школи фізики та астрономії/Інституту передових досліджень Чжанцзяна та академіка Цзе Чжан зі Школи фізики та астрономії/Науково-дослідного інституту Лі Чжендао Шанхайського університету Цзяо Тонг нещодавно співпрацював з дослідниками з Шанхайського університету науки і технологій (SUSTech), університетів Каліфорнії, Берклі та Лос-Анджелеса, Брукхейвенської національної лабораторії (BNL). ) та Амстердамський університет (UA). У співпраці з дослідниками Каліфорнійського університету в Берклі та Лос-Анджелесі, Брукхейвенської національної лабораторії та Амстердамського університету група використала мегавольтну систему дифракції надшвидких електронів, розроблену незалежно за підтримки Національної програми дослідницького приладдя Китайський фонд науки і технологій (CNRI) і спостерігав у реальному часі та в атомному масштабі динаміку утворення топологічних дефектів у матеріалі хвилі зарядової щільності 1T-TiSe2 при оптичному збудженні (рис. 1). Робота нещодавно була опублікована в журналі Nature Physics під назвою «Надшвидке формування топологічних дефектів у хвилі 2D зарядової щільності».
На відміну від прямого зображення дефектів у реальному просторі, цей експеримент використовує дифракцію для отримання інформації про структуру дефектів, оскільки різні структури дефектів утворюють різні дифракційні відбитки в зворотному просторі (рис. 2). Після аналізу та моделювання дифракційних піків, а також сигналів дифузного розсіювання дослідницька група успішно декодувала динамічний процес структури матеріалу та топологічних дефектів після світлового збудження.
Зображення 2: Схематичне представлення інформації про дифракційну пляму, що відповідає різним структурним розподілам
Експерименти проводилися на двовимірному квантовому матеріалі 1T-TiSe2, який зазнає фазового переходу хвилі зарядової щільності (ВЗГ) при температурі близько 200 К. У минулих експериментах команда виявила, що структурою ВЗП у деяких шарах можна керувати за допомогою впорядковано за допомогою слабкого фемтосекундного лазера, щоб спричинити інверсію всього шару, коли температура нижче 200 К. В результаті домен із 2D електронним станом може бути сформований на межі вихідного ВЗП та ВЗП інвертованого шар. доменна стінка з двовимірними електронними станами [Nature 595,239(2021)]. Оскільки щільність енергії лазера накачування продовжує зростати, кількість шарів ВЗП, що зазнають поведінки структурної інверсії, поступово збільшується, і тривимірна ВЗП повністю перетворюється на двовимірну ВЗП без кореляції між шарами [Nature Communications 13, 963 (2022)].
У цьому дослідженні команда вибрала температуру вимірювання вище 200 K, що є станом, у якому в 1T-TiSe2 існує лише площинне 2D CDW. Аналізуючи сигнал дифузного розсіювання в плямі дифракції, який приблизно в 1000 разів слабший, ніж звичайний сигнал піку Брегга (рис. 3), команда виявила, що двовимірна ВЗП у фасеті також зазнає подібного процесу інверсії, як три -вимірної ВЗП, тобто існує одноланцюгова інверсія ВЗП в межах фасета, і що цей процес інверсії індукує утворення одновимірної доменної стінки, тобто одновимірних топологічних дефектів, у шарі (див. схематичну діаграму в нижній лівий кут рис. 2).
Завдяки надвисокій часовій роздільній здатності та відношенню сигнал/шум системи, під час вимірювання 1D доменних стінок група також виявила, що однаковий часовий масштаб утворення дефекту супроводжується деякими сигналами дифузного розсіювання з особливим розподілом в зворотний простір. У поєднанні з теоретичним моделюванням сигналів дифузного розсіювання та пов’язаної з ними динаміки команда виявила, що ці сигнали походять від поздовжніх акустичних фононів, створених оптичним збудженням, і що ці поздовжні акустичні фонони є пусковим фактором для утворення згаданих вище дефектів ланцюгової доменної стінки. .
Ця робота вперше показує процес утворення дефектів у субпікосекундному масштабі часу та ключову роль коливань гратки в цьому процесі, що надасть важливу інформацію для майбутнього розуміння природи нерівноважної матерії та ролі топологічної дефекти, а метод аналізу фононної динаміки також може допомогти глибше зрозуміти механізм перетворення енергії в квантових матеріалах, термоелектричних матеріалах та інших нових енергетичних матеріалах.
Ця робота була підтримана Національною ключовою програмою досліджень і розвитку Китаю (№ 2021YFA1400202), Національним фондом природничих наук Китаю (NNSFC) (№ 11925505, 12005132, 11504232 і 11721091), Головною програмою Шанхайської муніципальної комісії науки і технологій (№ 16DZ2260200), Міністерства енергетики США (DOE) і Національного наукового фонду США (NSF). фонд (NSF). Доктор Юнь Чен (закінчив) Шанхайський університет Цзяотун і доктор Альфред Цзун, співробітник Каліфорнійського університету в Берклі (незабаром стане доцентом Стенфордського університету) є співавторами статті.
