Topologische Defekte spielen eine entscheidende Rolle im Phasenübergangsprozess. Nehmen wir die Theorie der frühen Entstehung des Universums als Beispiel: Nach dem Urknall kühlte sich das Universum schnell ab, was eine Reihe spontaner Phasenübergänge auslöste. Theoretische Physiker wie Tom Kibble haben vorgeschlagen, dass zusammen mit diesen Phasenübergängen bei sinkenden Temperaturen topologische Defekte entstehen würden, und diese Defekte werden als kosmische Strings bezeichnet. Da es immer noch schwierig ist, den Entstehungsprozess kosmischer Strings mit aktuellen experimentellen Mitteln direkt zu beobachten, erforschen Menschen auch die Verwendung anderer Systeme zur Untersuchung topologischer Defekte, und Quantenmaterialien bieten eine ideale Plattform für die Untersuchung des Entstehungsprozesses topologischer Defekte mikroskopische Ebene. Bei der Untersuchung von Quantenmaterialien entstehen topologische Defekte nicht nur bei Temperaturabfällen, sondern es können auch vorübergehende topologische Defekte durch Femtosekundenstrahlanregung erzeugt werden, und diese Defekte induzieren häufig Eigenschaften oder Phasenübergänge, die im Gleichgewicht nicht existieren, wie z. induzierte Isolator-Metall-Phasenübergänge und supraleitendes Verhalten. Ähnlich wie beim Problem kosmischer Strings mangelt es bei der dynamischen Bildung photoinduzierter topologischer Defekte an experimentellen Beobachtungen auf mikroskopischen und ultrakurzen Zeitskalen, und es besteht kein Konsens über die genaue Zeit, die für die Bildung topologischer Defekte erforderlich ist.
Bild Abbildung 1: Femtosekundenlaser-induzierte Erzeugung topologischer Defekte
Um den Entstehungsprozess dieser Defekte sowohl auf der räumlichen Skala von Nanometern als auch auf der Zeitskala von Femtosekunden untersuchen zu können, hat eine Gruppe unter der Leitung von Prof. Wizard von der School of Physics and Astronomy/Zhangjiang Institute of Advanced Studies und Akademiker Jie Zhang von der School of Physics and Astronomy/Li Zhendao Research Institute der Shanghai Jiao Tong University arbeitete kürzlich mit Forschern der Shanghai University of Science and Technology (SUSTech), den Universitäten Kalifornien, Berkeley und Los Angeles sowie dem Brookhaven National Laboratory (BNL) zusammen ) und der Universität Amsterdam (UA). In Zusammenarbeit mit Forschern der University of California, Berkeley und Los Angeles, des Brookhaven National Laboratory und der Universität Amsterdam hat die Gruppe ein ultraschnelles Megavolt-Elektronenbeugungssystem verwendet, das unabhängig mit Unterstützung des National Research Instrumentation Program von entwickelt wurde die China Foundation for Science and Technology (CNRI) und hat in Echtzeit und auf atomarer Ebene die Dynamik der Bildung topologischer Defekte im Ladungsdichtewellenmaterial 1T-TiSe2 unter optischer Anregung beobachtet (Abb. 1). Die Arbeit wurde kürzlich in Nature Physics unter dem Titel „Ultraschnelle Bildung topologischer Defekte in einer 2D-Ladungsdichtewelle“ veröffentlicht.
Im Gegensatz zur direkten Abbildung von Defekten im realen Raum nutzt dieses Experiment die Beugung, um strukturelle Informationen über Defekte zu erhalten, da unterschiedliche Defektstrukturen im umgekehrten Raum unterschiedliche Beugungsfingerabdrücke bilden (Abb. 2). Nach der Analyse und Simulation der Beugungspeaks sowie der diffusen Streusignale gelang es dem Forschungsteam, den dynamischen Prozess der Materialstruktur und topologischen Defekte nach Lichtanregung zu entschlüsseln.
Bild 2: Schematische Darstellung der Beugungspunktinformationen, die verschiedenen Strukturverteilungen entsprechen
Die Experimente wurden mit dem 2D-Quantenmaterial 1T-TiSe2 durchgeführt, das einen Ladungsdichtewellen-Phasenübergang (CDW) nahe 200 K durchläuft. Das Team stellte in früheren Experimenten fest, dass die Struktur der CDW in einigen der Schichten in einem kontrolliert werden kann geordnet durch einen schwachen Femtosekundenlaser, um eine Inversion der gesamten Schicht zu bewirken, wenn die Temperatur unter 200 K liegt. Dadurch kann eine Domäne mit einem 2D-elektronischen Zustand an der Grenzfläche des ursprünglichen CDW und des CDW des Invertierten gebildet werden Schicht. Domänenwand mit zweidimensionalen elektronischen Zuständen [Nature 595,239(2021)]. Während die Energiedichte des Pumplasers weiter zunimmt, nimmt die Anzahl der CDW-Schichten, die ein strukturelles Inversionsverhalten erfahren, allmählich zu, und das dreidimensionale CDW wird vollständig in ein zweidimensionales CDW ohne Korrelation zwischen den Schichten umgewandelt [Nature Communications 13, 963 (2022)].
In dieser Studie wählte das Team die Messtemperatur über 200 K, was dem Zustand entspricht, in dem in 1T-TiSe2 nur 2D-CDW in der Ebene vorhanden ist. Durch die Analyse des diffusen Streusignals im Beugungsfleck, das etwa 1000-mal schwächer ist als das herkömmliche Bragg-Peak-Signal (Abb. 3), stellte das Team fest, dass auch die zweidimensionale CDW innerhalb der Facette einen ähnlichen Inversionsprozess durchläuft wie die drei -dimensionales CDW, d. h. es existiert eine einzelsträngige CDW-Inversion innerhalb der Facette, und dieser Inversionsprozess induziert die Bildung einer eindimensionalen Domänenwand, d. h. eindimensionaler topologischer Defekte, innerhalb der Schicht (siehe schematisches Diagramm in die untere linke Ecke von Abb. 2).
Dank der extrem hohen zeitlichen Auflösung und des Signal-Rausch-Verhältnisses des Systems stellte die Gruppe bei der Messung der 1D-Domänenwände auch fest, dass die Defektbildung im gleichen Zeitmaßstab von einigen diffusen Streusignalen mit speziellen Verteilungen begleitet wird der Umkehrraum. In Kombination mit theoretischen Simulationen der diffusen Streusignale und der damit verbundenen Dynamik fand das Team heraus, dass diese Signale von longitudinalen akustischen Phononen stammen, die durch optische Anregung erzeugt werden, und dass diese longitudinalen akustischen Phononen der auslösende Faktor für die Bildung der oben erwähnten Kettendomänenwanddefekte sind .
Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal den Defektbildungsprozess im Sub-Pikosekunden-Zeitraum und die Schlüsselrolle der Gittervibration in diesem Prozess, was wichtige Informationen für das zukünftige Verständnis der Natur von Nichtgleichgewichtsmaterie und der Rolle der Topologie liefern wird Defekte und die Methode der Phononendynamikanalyse können auch dazu beitragen, den Energieumwandlungsmechanismus in Quantenmaterialien, thermoelektrischen Materialien und anderen neuen Energiematerialien besser zu verstehen.
Diese Arbeit wurde vom National Key Research and Development Program of China (Nr. 2021YFA1400202), der National Natural Science Foundation of China (NNSFC) (Nr. 11925505, 12005132, 11504232 und 11721091) und dem Major Program der Shanghai Municipal Commission unterstützt Science and Technology (Nr. 16DZ2260200), das US-Energieministerium (DOE) und die US-amerikanische National Science Foundation (NSF). Stiftung (NSF). Dr. Yun Cheng (Absolvent) von der Shanghai Jiaotong University und Dr. Alfred Zong, Miller Fellow an der University of California, Berkeley (bald Assistenzprofessor an der Stanford University), sind die Co-Erstautoren des Artikels.
