Топологические дефекты играют решающую роль в процессе фазового перехода. Если взять в качестве примера теорию раннего формирования Вселенной, то после Большого взрыва Вселенная быстро остыла, что вызвало серию спонтанных фазовых переходов. физики-теоретики, такие как Том Киббл, предположили, что топологические дефекты будут генерироваться вместе с этими фазовыми переходами при резком падении температур, и эти дефекты известны как космические струны. Поскольку напрямую наблюдать процесс формирования космических струн современными экспериментальными средствами все еще трудно, люди также изучают возможность использования других систем для изучения топологических дефектов, а квантовые материалы представляют собой идеальную платформу для изучения процесса образования топологических дефектов на современном уровне. микроскопический уровень. При изучении квантовых материалов топологические дефекты генерируются не только при понижении температуры, но и переходные топологические дефекты могут возникать при возбуждении фемтосекундным лучом, и эти дефекты часто вызывают свойства или фазовые переходы, которые не существуют в равновесии, такие как свето- индуцированные фазовые переходы изолятор-металл и сверхпроводящее поведение. Подобно проблеме космических струн, динамическое образование фотоиндуцированных топологических дефектов не получило экспериментальных наблюдений на микроскопических масштабах и в сверхкоротких временных масштабах, а также отсутствует консенсус относительно точного времени, необходимого для образования топологических дефектов.
Рисунок 1: Генерация топологических дефектов, индуцированная фемтосекундным лазером
Чтобы иметь возможность изучить процесс образования этих дефектов как в пространственном масштабе нанометров, так и во временном масштабе фемтосекунд, группа под руководством профессора Волшебника Школы физики и астрономии/Института перспективных исследований Чжанцзян и академика Цзе Чжан из Школы физики и астрономии/Исследовательского института Ли Чжэндао в Шанхайском университете Цзяо Тун недавно сотрудничал с исследователями из Шанхайского университета науки и технологий (SUSTech), университетов Калифорнии, Беркли и Лос-Анджелеса, Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL). ) и Амстердамский университет (UA). В сотрудничестве с исследователями из Калифорнийского университета, Беркли и Лос-Анджелеса, Брукхейвенской национальной лаборатории и Амстердамского университета группа использовала мегавольтовую сверхбыструю систему дифракции электронов, разработанную независимо при поддержке Национальной программы исследовательских приборов Китайский фонд науки и технологий (CNRI) и наблюдал в реальном времени на атомном уровне динамику образования топологических дефектов в материале с волной зарядовой плотности 1T-TiSe2 при оптическом возбуждении (рис. 1). Работа была недавно опубликована в журнале Nature Physics под названием «Сверхбыстрое образование топологических дефектов в двумерной волне зарядовой плотности».
В отличие от прямого изображения дефектов в реальном пространстве, в этом эксперименте для получения структурной информации о дефектах используется дифракция, поскольку разные дефектные структуры образуют разные дифракционные отпечатки в обратном пространстве (рис. 2). После анализа и моделирования дифракционных пиков, а также сигналов диффузного рассеяния, исследовательская группа успешно расшифровала динамический процесс структуры материала и топологических дефектов после светового возбуждения.
Изображение 2: Схематическое представление информации о дифракционном пятне, соответствующей различным распределениям структуры.
Эксперименты проводились на двумерном квантовом материале 1T-TiSe2, который претерпевает фазовый переход волны зарядовой плотности (ВЗП) около 200 К. В прошлых экспериментах команда обнаружила, что структурой ВЗП в некоторых слоях можно управлять с помощью упорядоченным образом с помощью слабого фемтосекундного лазера вызвать инверсию всего слоя при температуре ниже 200 К. В результате на границе раздела исходной ВЗП и ВЗП инвертированной ВЗП может образоваться область с двумерным электронным состоянием. слой. доменная стенка с двумерными электронными состояниями [Nature 595,239(2021)]. Поскольку плотность энергии лазера накачки продолжает увеличиваться, количество слоев ВЗП, подвергающихся структурной инверсии, постепенно увеличивается, и трехмерная ВЗП полностью преобразуется в двумерную ВЗП без корреляции между слоями [Nature Communications 13, 963 (2022)].
В этом исследовании команда выбрала температуру измерения выше 200 К, то есть в состоянии, при котором в 1T-TiSe2 существует только плоскостная 2D ВЗП. Анализируя сигнал диффузного рассеяния в дифракционном пятне, который примерно в 1000 раз слабее обычного сигнала пика Брэгга (рис. 3), команда обнаружила, что двумерная ВЗП внутри грани также претерпевает аналогичный процесс инверсии, что и трехмерная ВЗП внутри грани. -мерной ВЗП, т. е. существует одноцепочечная инверсия ВЗП внутри грани, и что этот процесс инверсии вызывает образование одномерной доменной стенки, т. е. одномерных топологических дефектов, внутри слоя (см. схематическую диаграмму в левый нижний угол рис. 2).
Благодаря сверхвысокому временному разрешению и соотношению сигнал/шум системы при измерении одномерных доменных границ группа также обнаружила, что в том же временном масштабе образование дефектов сопровождается некоторыми сигналами диффузного рассеяния с особыми распределениями в обратное пространство. В сочетании с теоретическим моделированием сигналов диффузного рассеяния и связанной с ним динамики команда обнаружила, что эти сигналы исходят от продольных акустических фононов, генерируемых оптическим возбуждением, и что эти продольные акустические фононы являются пусковым фактором для образования упомянутых выше дефектов цепной доменной стенки. .
В этой работе впервые показан процесс образования дефектов в субпикосекундном масштабе времени и ключевая роль колебаний решетки в этом процессе, что предоставит важную информацию для будущего понимания природы неравновесной материи и роли топологических колебаний. дефекты, а метод анализа динамики фононов также может помочь лучше понять механизм преобразования энергии в квантовых материалах, термоэлектрических материалах и других новых энергетических материалах.
Эта работа была поддержана Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (№ 2021YFA1400202), Национальным фондом естественных наук Китая (NNSFC) (№ 11925505, 12005132, 11504232 и 11721091), Основной программой Шанхайской муниципальной комиссии Наука и технологии (№ 16DZ2260200), Министерство энергетики США (DOE) и Национальный научный фонд США (NSF). Фонд (НФС). Доктор Юн Чэн (выпускник) Шанхайского университета Цзяотун и доктор Альфред Цзун, научный сотрудник Миллера из Калифорнийского университета в Беркли (вскоре ставший доцентом Стэнфордского университета) являются соавторами статьи.
