Topološki defekti igraju ključnu ulogu u procesu faznog prijelaza. Uzimajući za primjer teoriju o ranom nastanku svemira, nakon Velikog praska, svemir se brzo ohladio, što je pokrenulo niz spontanih faznih prijelaza. teorijski fizičari, poput Toma Kibblea, predložili su da bi se topološki defekti generirali zajedno s ovim faznim prijelazima pri strmoglavim temperaturama, a ti su defekti poznati kao kozmičke strune. Budući da je još uvijek teško izravno promatrati proces formiranja kozmičkih struna trenutnim eksperimentalnim sredstvima, ljudi također istražuju korištenje drugih sustava za proučavanje topoloških defekata, a kvantni materijali pružaju idealnu platformu za proučavanje procesa formiranja topoloških defekata na mikroskopska razina. U proučavanju kvantnih materijala, topološki defekti ne nastaju samo u padovima temperature, već se i prolazni topološki defekti mogu generirati femtosekundnom ekscitacijom snopa, a ti defekti često induciraju svojstva ili fazne prijelaze koji ne postoje u ravnoteži, kao što je svjetlo- inducirani fazni prijelazi izolator-metal i ponašanje slično supravodljivom. Slično problemu kozmičkih struna, dinamičkom formiranju foto-induciranih topoloških defekata nedostajala su eksperimentalna opažanja na mikroskopskim skalama i ultrakratkim vremenskim skalama, a postoji i nedostatak konsenzusa o točnom vremenu potrebnom za formiranje topoloških defekata.
Slika Slika 1: Generacija topoloških defekata inducirana femtosekundnim laserom
Kako bi mogli proučavati proces formiranja ovih defekata i na prostornoj skali od nanometara i na vremenskoj skali od femtosekundi, grupa koju su vodili prof. Wizard sa Škole fizike i astronomije/Zhangjiang Instituta za napredne studije i akademik Jie Zhang sa Fakulteta fizike i astronomije/Istraživačkog instituta Li Zhendao na Sveučilištu Jiao Tong u Šangaju nedavno je surađivao s istraživačima sa Sveučilišta znanosti i tehnologije u Šangaju (SUSTech), sveučilišta Kalifornija, Berkeley i Los Angeles, Nacionalni laboratorij Brookhaven (BNL) ), i Sveučilište u Amsterdamu (UA). U suradnji s istraživačima na Sveučilištu Kalifornija, Berkeley i Los Angeles, Nacionalnim laboratorijem Brookhaven i Sveučilištem u Amsterdamu, grupa je upotrijebila megavoltni ultrabrzi sustav difrakcije elektrona razvijen neovisno uz potporu Nacionalnog istraživačkog instrumentacijskog programa Kineska zaklada za znanost i tehnologiju (CNRI), te je promatrao, u stvarnom vremenu i na atomskoj skali, dinamiku formiranja topoloških defekata u materijalu 1T-TiSe2 s valovima gustoće naboja pod optičkom pobudom (slika 1). Rad je nedavno objavljen u časopisu Nature Physics pod naslovom "Ultrabrzo formiranje topoloških defekata u valu gustoće 2D naboja".
Za razliku od izravnog oslikavanja defekata u stvarnom prostoru, ovaj eksperiment koristi difrakciju za dobivanje strukturnih informacija o defektima, jer različite strukture defekata tvore različite difrakcijske otiske u inverznom prostoru (slika 2). Nakon analize i simulacije difrakcijskih vrhova, kao i signala difuznog raspršenja, istraživački tim je uspješno dekodirao dinamički proces strukture materijala i topoloških defekata nakon pobuđivanja svjetlom.
Slika 2: Shematski prikaz informacije o difrakcijskoj točki koja odgovara različitim raspodjelama strukture
Eksperimenti su provedeni na 2D kvantnom materijalu 1T-TiSe2, koji prolazi kroz fazni prijelaz vala gustoće naboja (CDW) blizu 200 K. Tim je u prošlim eksperimentima otkrio da se struktura CDW-a u nekim slojevima može kontrolirati u na uredan način pomoću slabog femtosekundnog lasera da izazove inverziju cijelog sloja kada je temperatura ispod 200 K. Kao rezultat toga, domena s 2D elektroničkim stanjem može se formirati na sučelju izvornog CDW-a i CDW-a invertiranog sloj. zid domene s dvodimenzionalnim elektroničkim stanjima [Nature 595,239(2021)]. Kako gustoća energije lasera crpke nastavlja rasti, broj CDW slojeva koji prolaze kroz strukturnu inverziju postupno raste, a trodimenzionalni CDW se potpuno transformira u dvodimenzionalni CDW bez korelacije između slojeva [Nature Communications 13, 963 (2022)].
U ovoj studiji, tim je odabrao temperaturu mjerenja iznad 200 K, što je stanje u kojem postoji samo 2D CDW u ravnini u 1T-TiSe2. Analizirajući signal difuznog raspršenja u difrakcijskoj točki, koji je oko 1000 puta slabiji od konvencionalnog signala Braggovog vrha (slika 3), tim je otkrio da dvodimenzionalni CDW unutar aspekta također prolazi sličan proces inverzije kao tri -dimenzionalni CDW, tj. postoji jednolančana CDW inverzija unutar fasete i da taj proces inverzije inducira stvaranje jednodimenzionalnog zida domene, tj. jednodimenzionalnih topoloških defekata, unutar sloja (vidi shematski dijagram u donji lijevi kut slike 2).
Zahvaljujući ultravisokoj vremenskoj rezoluciji i omjeru signala i šuma sustava, tijekom mjerenja zidova 1D domene, grupa je također otkrila da istu vremensku skalu formiranja defekta prate neki difuzni signali raspršenja s posebnim distribucijama u inverzni prostor. U kombinaciji s teorijskim simulacijama signala difuznog raspršenja i povezane dinamike, tim je otkrio da ti signali dolaze od uzdužnih akustičnih fonona generiranih optičkom ekscitacijom, te da su ti uzdužni akustični fononi pokretački čimbenik za formiranje defekata stjenke lančane domene spomenutih gore. .
Ovaj rad po prvi put prikazuje proces formiranja defekta u vremenskoj skali ispod pikosekunde i ključnu ulogu vibracije rešetke u tom procesu, što će pružiti važne informacije za buduće razumijevanje prirode neravnotežne materije i uloge topološke defekti, a metoda analize dinamike fonona također može pomoći u daljnjem razumijevanju mehanizma pretvorbe energije u kvantnim materijalima, termoelektričnim materijalima i drugim novim energetskim materijalima.
Ovaj rad je podržan od strane Kineskog nacionalnog ključnog programa za istraživanje i razvoj (br. 2021YFA1400202), Nacionalne zaklade za prirodne znanosti Kine (NNSFC) (br. 11925505, 12005132, 11504232 i 11721091), Glavnog programa Šangajske općinske komisije za Znanost i tehnologiju (br. 16DZ2260200), Ministarstvo energetike SAD-a (DOE) i Nacionalna zaklada za znanost SAD-a (NSF). Zaklada (NSF). Dr. Yun Cheng (diplomirao) na šangajskom sveučilištu Jiaotong i dr. Alfred Zong, Millerov suradnik na Kalifornijskom sveučilištu, Berkeley (uskoro asistent na Sveučilištu Stanford) prvi su autori članka.
