Defectele topologice joacă un rol crucial în procesul de tranziție de fază. Luând ca exemplu teoria formării timpurii a universului, după Big Bang, universul s-a răcit rapid, ceea ce a declanșat o serie de tranziții spontane de fază. fizicienii teoreticieni, cum ar fi Tom Kibble, au propus că defectele topologice ar fi generate împreună cu aceste tranziții de fază la temperaturi în scădere, iar aceste defecte sunt cunoscute sub numele de șiruri cosmice. Deoarece este încă dificil de observat direct procesul de formare a corzilor cosmice prin mijloace experimentale curente, oamenii explorează, de asemenea, utilizarea altor sisteme pentru a studia defectele topologice, iar materialele cuantice oferă o platformă ideală pentru studiul procesului de formare a defectelor topologice la nivelul nivel microscopic. În studiul materialelor cuantice, defectele topologice nu sunt generate numai în scăderile de temperatură, ci și defectele topologice tranzitorii pot fi generate de excitația fasciculului de femtosecunde, iar aceste defecte induc adesea proprietăți sau tranziții de fază care nu există în echilibru, cum ar fi lumina tranziții induse de fază izolator-metal și comportament de tip supraconductor. Similar cu problema corzilor cosmice, formarea dinamică a defectelor topologice foto-induse a lipsit de observații experimentale la scară microscopică și la scară de timp ultrascurtă și există o lipsă de consens cu privire la timpul exact necesar pentru formarea defectelor topologice.
Imagine Figura 1: Generarea de defecte topologice indusă de laser de femtosecunde
Pentru a putea studia procesul de formare a acestor defecte atât la scara spațială a nanometrilor, cât și la scara temporală a femtosecundelor, un grup condus de prof. Wizard al Școlii de Fizică și Astronomie/Institutul de Studii Avansate Zhangjiang și academicianul Jie Zhang de la Școala de Fizică și Astronomie/Institutul de Cercetare Li Zhendao de la Universitatea Jiao Tong din Shanghai a colaborat recent cu cercetători de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Shanghai (SUSTech), Universitățile din California, Berkeley și Los Angeles, Laboratorul Național Brookhaven (BNL). ), și Universitatea din Amsterdam (UA). În colaborare cu cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley și Los Angeles, Laboratorul Național Brookhaven și Universitatea din Amsterdam, grupul a utilizat un sistem de difracție de electroni ultrarapidă de mega-volt dezvoltat independent cu sprijinul Programului Național de Instrumentare a Cercetării Fundația China pentru Știință și Tehnologie (CNRI) și a observat, în timp real și la scară atomică, dinamica formării defectelor topologice în materialul de undă de densitate de sarcină 1T-TiSe2 sub excitație optică (Fig. 1). Lucrarea a fost publicată recent în Nature Physics sub titlul „Ultrafast formation of topological defects in a 2D charge density wave”.
Spre deosebire de imagistica directă a defectelor din spațiul real, acest experiment utilizează difracția pentru a obține informații structurale ale defectelor, deoarece diferitele structuri de defect formează diferite amprente digitale de difracție în spațiu invers (Fig. 2). După analizarea și simularea vârfurilor de difracție, precum și a semnalelor difuze de împrăștiere, echipa de cercetare a decodificat cu succes procesul dinamic al structurii materialelor și a defectelor topologice după excitarea luminii.
Imaginea 2: Reprezentarea schematică a informațiilor punctului de difracție corespunzătoare diferitelor distribuții de structură
Experimentele au fost efectuate pe materialul cuantic 2D 1T-TiSe2, care suferă o tranziție de fază a undei de densitate a sarcinii (CDW) aproape de 200 K. Echipa a descoperit în experimentele anterioare că structura CDW în unele straturi poate fi controlată într-un în mod ordonat de către un laser slab femtosecundă pentru a provoca o inversare a întregului strat atunci când temperatura este sub 200 K. Ca urmare, un domeniu cu o stare electronică 2D poate fi format la interfața CDW-ului original și CDW-ului inversat. strat. perete de domeniu cu stări electronice bidimensionale [Nature 595,239(2021)]. Pe măsură ce densitatea de energie a laserului pompei continuă să crească, numărul de straturi CDW care suferă un comportament de inversare structurală crește treptat, iar CDW-ul tridimensional este complet transformat într-un CDW bidimensional, fără corelație între straturi [Nature Communications 13, 963 (2022)].
În acest studiu, echipa a ales temperatura de măsurare peste 200 K, care este starea în care există doar CDW 2D în plan în 1T-TiSe2. Analizând semnalul difuz de împrăștiere în punctul de difracție, care este de aproximativ 1000 de ori mai slab decât semnalul de vârf Bragg convențional (Fig. 3), echipa a descoperit că CDW bidimensional din cadrul fațetei suferă, de asemenea, un proces de inversare similar cu cele trei. CDW -dimensională, adică există o inversare CDW monocatenară în cadrul fațetei și că acest proces de inversare induce formarea unui perete de domeniu unidimensional, adică defecte topologice unidimensionale, în cadrul stratului (vezi diagrama schematică din colțul din stânga jos al Fig. 2).
Datorită rezoluției temporale ultra-înalte și raportului semnal-zgomot al sistemului, în timp ce măsura pereții domeniului 1D, grupul a constatat, de asemenea, că aceeași scară de timp a formării defectelor este însoțită de unele semnale difuze de împrăștiere cu distribuții speciale în spatiul invers. În combinație cu simulările teoretice ale semnalelor difuze de împrăștiere și dinamica aferentă, echipa a descoperit că aceste semnale provin de la fononi acustici longitudinali generați de excitația optică și că acești fononi acustici longitudinali sunt factorul declanșator pentru formarea defectelor peretelui domeniului de lanț menționate mai sus. .
Această lucrare arată pentru prima dată procesul de formare a defectelor la scara de timp sub-picosecundă și rolul cheie al vibrației rețelei în proces, care va oferi informații importante pentru înțelegerea viitoare a naturii materiei neechilibrate și a rolului topologic. defecte, iar metoda de analiză a dinamicii fononilor poate ajuta, de asemenea, la înțelegerea în continuare a mecanismului de conversie a energiei în materiale cuantice, materiale termoelectrice și alte materiale energetice noi.
Această lucrare a fost susținută de Programul național de cercetare și dezvoltare cheie din China (nr. 2021YFA1400202), Fundația Națională de Științe Naturale din China (NNSFC) (nr. 11925505, 12005132, 11504232 și 11721091), programul major al Comisiei municipale din Shanghai Știință și Tehnologie (Nr. 16DZ2260200), Departamentul de Energie al SUA (DOE) și Fundația Națională pentru Știință din SUA (NSF). Fundația (NSF). Dr. Yun Cheng (absolvent) de la Universitatea Jiaotong din Shanghai și Dr. Alfred Zong, Miller Fellow la Universitatea din California, Berkeley (în curând va fi profesor asistent la Universitatea Stanford) sunt co-primii autori ai articolului.
