Топологичните дефекти играят решаваща роля в процеса на фазов преход. Като вземем за пример теорията за ранното формиране на вселената, след Големия взрив, Вселената бързо се охлади, което предизвика серия от спонтанни фазови преходи. теоретични физици, като Том Кибъл, предложиха топологични дефекти да се генерират заедно с тези фазови преходи при падащи температури и тези дефекти са известни като космически струни. Тъй като все още е трудно да се наблюдава директно процесът на формиране на космически струни чрез настоящите експериментални средства, хората също изследват използването на други системи за изследване на топологични дефекти, а квантовите материали осигуряват идеална платформа за изучаване на процеса на формиране на топологични дефекти в микроскопично ниво. При изследването на квантовите материали топологичните дефекти не се генерират само при спадове на температурата, но също и преходни топологични дефекти могат да бъдат генерирани от фемтосекундно възбуждане на лъча и тези дефекти често индуцират свойства или фазови преходи, които не съществуват в равновесие, като например светлина- индуцирани фазови преходи изолатор-метал и подобно на свръхпроводимост поведение. Подобно на проблема с космическите струни, динамичното образуване на фото-индуцирани топологични дефекти е лишено от експериментални наблюдения в микроскопични мащаби и ултракъси времеви мащаби и липсва консенсус относно точното време, необходимо за образуване на топологичен дефект.
Изображение Фигура 1: Фемтосекундно лазерно индуцирано генериране на топологични дефекти
За да може да изследва процеса на образуване на тези дефекти както в пространствения мащаб от нанометри, така и във времевия мащаб от фемтосекунди, група, ръководена от проф. Wizard от Училището по физика и астрономия/Zhangjiang Institute of Advanced Studies и академик Jie Джан от Училището по физика и астрономия/Изследователския институт Ли Жендао в Шанхайския университет Джиао Тонг наскоро си сътрудничи с изследователи от Шанхайския университет за наука и технологии (SUSTech), университетите на Калифорния, Бъркли и Лос Анджелис, Националната лаборатория Брукхейвън (BNL) ) и Университета на Амстердам (UA). В сътрудничество с изследователи от Калифорнийския университет, Бъркли и Лос Анджелис, Националната лаборатория Брукхейвън и Университета на Амстердам, групата е използвала мегаволтова система за ултрабърза електронна дифракция, разработена независимо с подкрепата на Националната изследователска инструментална програма на Китайската фондация за наука и технологии (CNRI) и наблюдава в реално време и в атомен мащаб динамиката на образуването на топологични дефекти в материала на вълната на плътността на заряда 1T-TiSe2 при оптично възбуждане (фиг. 1). Работата беше публикувана наскоро в Nature Physics под заглавието „Свръхбързо образуване на топологични дефекти в 2D вълна на плътност на заряда“.
За разлика от директното изобразяване на дефекти в реално пространство, този експеримент използва дифракция, за да получи структурна информация за дефекти, тъй като различните дефектни структури образуват различни дифракционни пръстови отпечатъци в обратното пространство (фиг. 2). След анализиране и симулиране на пиковете на дифракция, както и сигналите на дифузно разсейване, изследователският екип успешно декодира динамичния процес на структурата на материала и топологичните дефекти след светлинно възбуждане.
Изображение 2: Схематично представяне на информация за дифракционно петно, съответстваща на различни структурни разпределения
Експериментите бяха проведени върху 2D квантовия материал 1T-TiSe2, който претърпява фазов преход на вълна на плътност на заряда (CDW) близо до 200 K. Екипът откри в минали експерименти, че структурата на CDW в някои от слоевете може да се контролира в организиран начин от слаб фемтосекунден лазер, за да предизвика инверсия на целия слой, когато температурата е под 200 К. В резултат на това може да се формира домейн с 2D електронно състояние на интерфейса на оригиналния CDW и CDW на инвертирания слой. доменна стена с двумерни електронни състояния [Nature 595,239(2021)]. Тъй като енергийната плътност на изпомпващия лазер продължава да нараства, броят на CDW слоевете, подложени на поведение на структурна инверсия, постепенно се увеличава и триизмерният CDW се трансформира напълно в двуизмерен CDW без корелация между слоевете [Nature Communications 13, 963 (2022)].
В това проучване екипът избра температурата на измерване над 200 K, което е състоянието, в което съществува само 2D CDW в равнина в 1T-TiSe2. Чрез анализиране на сигнала на дифузно разсейване в дифракционното петно, което е около 1000 пъти по-слабо от конвенционалния пиков сигнал на Bragg (фиг. 3), екипът установи, че двумерният CDW в рамките на фасета също претърпява подобен процес на инверсия като трите -дименсионален CDW, т.е. съществува едноверижна CDW инверсия във фасета и че този процес на инверсия индуцира образуването на едномерна доменна стена, т.е. едномерни топологични дефекти, в рамките на слоя (вижте схематичната диаграма в долния ляв ъгъл на фиг. 2).
Благодарение на свръхвисоката времева разделителна способност и съотношението сигнал/шум на системата, докато измерва стените на 1D домейни, групата също установи, че същата времева скала на образуването на дефекти е придружена от някои дифузни сигнали на разсейване със специални разпределения в обратното пространство. В комбинация с теоретични симулации на сигналите на дифузно разсейване и свързаната с тях динамика, екипът установи, че тези сигнали идват от надлъжни акустични фонони, генерирани от оптично възбуждане, и че тези надлъжни акустични фонони са задействащият фактор за образуването на дефектите на стените на верижния домейн, споменати по-горе .
Тази работа показва за първи път процеса на образуване на дефекти в суб-пикосекунден времеви мащаб и ключовата роля на вибрациите на решетката в процеса, което ще предостави важна информация за бъдещото разбиране на природата на неравновесната материя и ролята на топологичните дефекти и методът за анализ на фононната динамика също може да помогне за по-нататъшното разбиране на механизма за преобразуване на енергия в квантовите материали, термоелектрическите материали и други нови енергийни материали.
Тази работа беше подкрепена от Националната ключова изследователска и развойна програма на Китай (№ 2021YFA1400202), Националната природонаучна фондация на Китай (NNSFC) (№ 11925505, 12005132, 11504232 и 11721091), Основната програма на Общинската комисия на Шанхай на Наука и технологии (№ 16DZ2260200), Министерството на енергетиката на САЩ (DOE) и Националната научна фондация на САЩ (NSF). Фондация (NSF). Д-р Юн Ченг (завършил) от Шанхайския университет Джиаотонг и д-р Алфред Зонг, сътрудник на Милър в Калифорнийския университет, Бъркли (скоро ще бъде асистент в Станфордския университет) са съавторите на статията.
