Topološki defekti igraju ključnu ulogu u procesu fazne tranzicije. Uzimajući teoriju ranog formiranja svemira kao primjer, nakon Velikog praska, svemir se brzo ohladio, što je pokrenulo niz spontanih faznih prijelaza. teoretski fizičari, kao što je Tom Kibble, su predložili da se topološki defekti generiraju zajedno sa ovim faznim prijelazima pri opadajućim temperaturama, a ovi defekti su poznati kao kosmičke žice. Budući da je još uvijek teško direktno promatrati proces formiranja kosmičkih struna trenutnim eksperimentalnim sredstvima, ljudi također istražuju upotrebu drugih sistema za proučavanje topoloških defekata, a kvantni materijali pružaju idealnu platformu za proučavanje procesa formiranja topoloških defekata u mikroskopski nivo. U proučavanju kvantnih materijala, topološki defekti se ne generiraju samo pri padu temperature, već se i prolazni topološki defekti mogu generirati uzbudom femtosekundnog snopa, a ti defekti često induciraju svojstva ili fazne prijelaze koje ne postoje u ravnoteži, kao što je svjetlo- inducirani fazni prijelazi izolator-metal i ponašanje nalik supravodljivom. Slično problemu kosmičkih struna, dinamičkom formiranju foto-induciranih topoloških defekata nedostaju eksperimentalna zapažanja na mikroskopskim skalama i ultrakratkim vremenskim skalama, a postoji i nedostatak konsenzusa o tačnom vremenu potrebnom za formiranje topoloških defekata.
Slika Slika 1: Generacija topoloških defekata izazvana femtosekundnim laserom
Da bi mogli da proučavaju proces formiranja ovih defekata i na prostornoj skali od nanometara i na vremenskoj skali femtosekundi, grupa koju predvode prof. Zhang sa Fakulteta za fiziku i astronomiju/Li Zhendao Research Institute na Šangajskom univerzitetu Jiao Tong nedavno je sarađivao sa istraživačima sa Šangajskog univerziteta nauke i tehnologije (SUSTech), Univerziteta Kalifornije, Berklija i Los Anđelesa, Brookhaven National Laboratory (BNL) ), i Univerzitet u Amsterdamu (UA). U saradnji sa istraživačima sa Univerziteta u Kaliforniji, Berkliju i Los Anđelesu, Nacionalne laboratorije Brookhaven i Univerziteta u Amsterdamu, grupa je koristila megavoltni ultrabrzi sistem difrakcije elektrona razvijen nezavisno uz podršku Nacionalnog istraživačkog instrumentacionog programa Kineska fondacija za nauku i tehnologiju (CNRI) i posmatrala je, u realnom vremenu i na atomskoj skali, dinamiku formiranja topoloških defekata u materijalu talasa gustine naelektrisanja 1T-TiSe2 pod optičkom ekscitacijom (slika 1). Rad je nedavno objavljen u Nature Physics pod naslovom "Ultrabrzo formiranje topoloških defekata u 2D talasu gustine naelektrisanja".
Za razliku od direktnog snimanja defekata u stvarnom prostoru, ovaj eksperiment koristi difrakciju za dobivanje strukturnih informacija o defektima, budući da različite strukture defekta formiraju različite difrakcijske otiske prstiju u inverznom prostoru (slika 2). Nakon analize i simulacije difrakcijskih pikova kao i signala difuznog raspršenja, istraživački tim je uspješno dekodirao dinamički proces strukture materijala i topoloških defekata nakon pobuđivanja svjetlosti.
Slika 2: Šematski prikaz informacija o difrakcijskim tačkama koje odgovaraju različitim distribucijama strukture
Eksperimenti su sprovedeni na 2D kvantnom materijalu 1T-TiSe2, koji prolazi fazni prelaz talasa gustine naelektrisanja (CDW) blizu 200 K. Tim je u prošlim eksperimentima otkrio da se struktura CDW u nekim slojevima može kontrolisati u na uredan način slabim femtosekundnim laserom da izazove inverziju čitavog sloja kada je temperatura ispod 200 K. Kao rezultat, domen sa 2D elektronskim stanjem može se formirati na interfejsu originalnog CDW-a i CDW-a invertovanog sloj. domenski zid sa dvodimenzionalnim elektronskim stanjima [Nature 595,239(2021)]. Kako gustina energije lasera pumpe nastavlja da raste, broj CDW slojeva koji prolaze kroz ponašanje strukturne inverzije postepeno se povećava, a trodimenzionalni CDW se potpuno transformiše 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 u ravnini 2D CDW u 1T-TiSe2. Analizom signala difuznog raspršenja u difrakcijskoj tački, koja je oko 1000 puta slabija od konvencionalnog Braggovog vršnog signala (slika 3), tim je otkrio da dvodimenzionalni CDW unutar fasete također prolazi kroz sličan proces inverzije kao i tri -dimenzionalni CDW, tj. postoji jednolančana CDW inverzija unutar fasete, i da ovaj proces inverzije izaziva formiranje jednodimenzionalnog zida domene, odnosno jednodimenzionalnih topoloških defekata, unutar sloja (vidi šematski dijagram u donji levi ugao slike 2).
Zahvaljujući ultra visokoj vremenskoj rezoluciji i omjeru signal-šum sistema, mjereći zidove 1D domena, grupa je također otkrila da je ista vremenska skala formiranja defekta praćena nekim difuznim raspršenim signalima sa posebnim distribucijama u inverzni prostor. U kombinaciji s teorijskim simulacijama signala difuznog raspršenja i srodne dinamike, tim je otkrio da ovi signali dolaze od uzdužnih akustičnih fonona generiranih optičkom ekscitacijom i da su ovi uzdužni akustični fononi pokretački faktor za formiranje defekata lančane domene koji su gore spomenuti. .
Ovaj rad po prvi put prikazuje proces formiranja defekta u vremenskoj skali subpikosekunde i ključnu ulogu vibracije rešetke u tom procesu, što će pružiti važne informacije za buduće razumijevanje prirode neravnotežne materije i uloge topoloških defekti, a metoda analize fononske dinamike također može pomoći u daljnjem razumijevanju mehanizma konverzije energije u kvantnim materijalima, termoelektričnim materijalima i drugim novim energetskim materijalima.
Ovaj rad je podržan od strane Nacionalnog ključnog istraživačkog i razvojnog programa Kine (br. 2021YFA1400202), Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine (NNSFC) (br. 11925505, 12005132, 11504232 i 11721091), Glavne Municipalne komisije Shangha Nauka i tehnologija (br. 16DZ2260200), Ministarstvo energetike SAD (DOE) i Nacionalna naučna fondacija SAD (NSF). Fondacija (NSF). Dr. Yun Cheng (diplomirao) na Šangajskom univerzitetu Jiaotong i dr. Alfred Zong, Miller saradnik na Univerzitetu Kalifornije, Berkeley (uskoro docent na Univerzitetu Stanford) su prvi autori članka.
