Topologiska defekter spelar en avgörande roll i fasövergångsprocessen. Med teorin om tidig universumbildning som exempel, efter Big Bang, kyldes universum snabbt, vilket utlöste en serie spontana fasövergångar. teoretiska fysiker, som Tom Kibble, har föreslagit att topologiska defekter skulle genereras tillsammans med dessa fasövergångar vid sjunkande temperaturer, och dessa defekter är kända som kosmiska strängar. Eftersom det fortfarande är svårt att direkt observera bildningsprocessen av kosmiska strängar med nuvarande experimentella metoder, utforskar människor också användningen av andra system för att studera topologiska defekter, och kvantmaterial utgör en idealisk plattform för att studera bildningsprocessen av topologiska defekter vid mikroskopisk nivå. I studien av kvantmaterial genereras topologiska defekter inte bara i temperaturfall, utan även transienta topologiska defekter kan genereras av femtosekundstråleexcitation, och dessa defekter inducerar ofta egenskaper eller fasövergångar som inte existerar i jämvikt, såsom ljus- inducerade isolator-metall fasövergångar och supraledande-liknande beteende. I likhet med problemet med kosmiska strängar har den dynamiska bildningen av fotoinducerade topologiska defekter saknat experimentella observationer i mikroskopiska skalor och ultrakorta tidsskalor, och det finns en brist på konsensus om den exakta tiden som krävs för topologisk defektbildning.
Bild Figur 1: Femtosekund laserinducerad generering av topologiska defekter
För att kunna studera bildningsprocessen av dessa defekter på både den rumsliga skalan av nanometer och tidsskalan femtosekunder, ledde en grupp av prof. Wizard från School of Physics and Astronomy/Zhangjiang Institute of Advanced Studies och akademiker Jie Zhang från School of Physics and Astronomy/Li Zhendao Research Institute vid Shanghai Jiao Tong University samarbetade nyligen med forskare från Shanghai University of Science and Technology (SUSTech), University of California, Berkeley och Los Angeles, Brookhaven National Laboratory (BNL) ), och universitetet i Amsterdam (UA). I samarbete med forskare vid University of California, Berkeley och Los Angeles, Brookhaven National Laboratory och University of Amsterdam, har gruppen använt ett megavolt ultrasnabbt elektrondiffraktionssystem utvecklat oberoende med stöd av National Research Instrumentation Program av China Foundation for Science and Technology (CNRI), och har observerat, i realtid och i atomär skala, dynamiken hos topologiska defekter som bildas i laddningsdensitetsvågmaterialet 1T-TiSe2 under optisk excitation (Fig. 1). Verket publicerades nyligen i Nature Physics under titeln "Ultrafast formation of topological defects in a 2D charge density wave".
Till skillnad från den direkta avbildningen av defekter i det verkliga rymden, använder detta experiment diffraktion för att erhålla strukturell information om defekter, eftersom olika defektstrukturer bildar olika diffraktionsfingeravtryck i det omvända rummet (Fig. 2). Efter att ha analyserat och simulerat diffraktionstopparna såväl som de diffusa spridningssignalerna, avkodade forskargruppen framgångsrikt den dynamiska processen med materialstruktur och topologiska defekter efter ljusexcitation.
Bild 2: Schematisk representation av information om diffraktionsfläckar som motsvarar olika strukturfördelningar
Experimenten utfördes på 2D-kvantmaterialet 1T-TiSe2, som genomgår en laddningsdensitetsvåg (CDW) fasövergång nära 200 K. Teamet fann i tidigare experiment att strukturen av CDW i några av lagren kan kontrolleras i en ordnat sätt av en svag femtosekundlaser för att orsaka en inversion av hela lagret när temperaturen är under 200 K. Som ett resultat kan en domän med ett 2D elektroniskt tillstånd bildas vid gränssnittet mellan den ursprungliga CDW:n och CDW:n för den inverterade lager. domänvägg med tvådimensionella elektroniska tillstånd [Nature 595,239(2021)]. När pumplaserns energitäthet fortsätter att öka, ökar antalet CDW-lager som genomgår ett strukturellt inversionsbeteende gradvis, och den tredimensionella CDW:n omvandlas fullständigt till en tvådimensionell CDW utan någon korrelation mellan lagren [Nature Communications 13, 963 (2022)].
I denna studie valde teamet mättemperaturen över 200 K, vilket är det tillstånd där endast 2D CDW i planet finns i 1T-TiSe2. Genom att analysera den diffusa spridningssignalen i diffraktionsfläcken, som är cirka 1 000 gånger svagare än den konventionella Bragg-toppsignalen (fig. 3), fann teamet att den tvådimensionella CDW inom facetten också genomgår en liknande inversionsprocess som de tre -dimensionell CDW, dvs det finns en enkelsträngad CDW-inversion inom facetten, och att denna inversionsprocess inducerar bildandet av en endimensionell domänvägg, dvs endimensionella topologiska defekter, inom lagret (se schematiskt diagram i det nedre vänstra hörnet av fig. 2).
Tack vare den ultrahöga tidsupplösningen och signal-brusförhållandet i systemet, samtidigt som man mäter 1D-domänväggarna, fann gruppen också att samma tidsskala för defektbildningen åtföljs av vissa diffusa spridningssignaler med speciella fördelningar i det omvända utrymmet. I kombination med teoretiska simuleringar av de diffusa spridningssignalerna och relaterad dynamik fann teamet att dessa signaler kommer från longitudinella akustiska fononer som genereras av optisk excitation, och att dessa longitudinella akustiska fononer är den utlösande faktorn för bildandet av kedjedomänväggsdefekterna som nämns ovan. .
Detta arbete visar för första gången defektbildningsprocessen i sub-pikosekunders tidsskala och nyckelrollen för gittervibrationer i processen, vilket kommer att ge viktig information för framtida förståelse av naturen av icke-jämviktsmateria och rollen av topologisk defekter, och analysmetoden för fonondynamik kan också bidra till att ytterligare förstå energiomvandlingsmekanismen i kvantmaterial, termoelektriska material och andra nya energimaterial.
Detta arbete stöddes av Kinas nationella nyckelforsknings- och utvecklingsprogram (nr 2021YFA1400202), National Natural Science Foundation of China (NNSFC) (nr 11925505, 12005132, 11504232 och 11721091), Shanghai Municipal Commissions majorprogram Science and Technology (nr. 16DZ2260200), US Department of Energy (DOE) och US National Science Foundation (NSF). Stiftelsen (NSF). Dr. Yun Cheng (utexaminerad) från Shanghai Jiaotong University och Dr. Alfred Zong, Miller Fellow vid University of California, Berkeley (snart assisterande professor vid Stanford University) är de första författarna av artikeln.
