Topologiniai defektai vaidina lemiamą vaidmenį fazių perėjimo procese. Kaip pavyzdį imant ankstyvojo visatos susidarymo teoriją, po Didžiojo sprogimo visata greitai atvėso, o tai sukėlė spontaniškų fazių perėjimų seriją. Teoriniai fizikai, tokie kaip Tomas Kibble'as, pasiūlė, kad kartu su šiais fazių perėjimais, esant žemai temperatūrai, susidarytų topologiniai defektai, ir šie defektai yra žinomi kaip kosminės stygos. Kadangi vis dar sunku tiesiogiai stebėti kosminių stygų formavimosi procesą dabartinėmis eksperimentinėmis priemonėmis, žmonės taip pat tiria kitų sistemų naudojimą topologiniams defektams tirti, o kvantinės medžiagos yra ideali platforma topologinių defektų formavimosi procesui tirti. mikroskopinis lygis. Tiriant kvantines medžiagas topologiniai defektai susidaro ne tik esant temperatūros kritimams, bet ir trumpalaikiai topologiniai defektai gali atsirasti sužadinant femtosekundinį pluoštą, o šie defektai dažnai sukelia savybes arba fazių perėjimus, kurių pusiausvyroje nėra, pavyzdžiui, šviesos. sukeliami izoliatoriaus-metalo fazių perėjimai ir į superlaidumą panašus elgesys. Panašiai kaip ir kosminių stygų problema, dinaminiam foto sukeltų topologinių defektų formavimuisi trūko eksperimentinių stebėjimų mikroskopinėmis skalėmis ir itin trumpomis laiko skalėmis, o dėl tikslaus laiko, reikalingo topologiniams defektams susidaryti, trūksta sutarimo.
Vaizdas 1 pav. Femtosekundiniu lazeriu sukelta topologinių defektų generacija
Kad būtų galima ištirti šių defektų susidarymo procesą tiek erdvine nanometrų, tiek femtosekundžių skale, grupė, vadovaujama Fizikos ir astronomijos mokyklos (Zhangjiang Institute of Advanced Studies) prof. Wizard ir akademiko Jie. Zhangas iš Šanchajaus Jiao Tong universiteto Fizikos ir astronomijos mokyklos / Li Zhendao tyrimų instituto neseniai bendradarbiavo su Šanchajaus mokslo ir technologijų universiteto (SUSTech), Kalifornijos, Berklio ir Los Andželo universitetų, Brukhaveno nacionalinės laboratorijos (BNL) mokslininkais. ), ir Amsterdamo universitetas (UA). Bendradarbiaudama su Kalifornijos universiteto Berklio ir Los Andželo, Brookhaven nacionalinės laboratorijos ir Amsterdamo universiteto tyrėjais, grupė panaudojo mega voltų itin greitą elektronų difrakcijos sistemą, sukurtą savarankiškai, remiant Nacionalinę tyrimų instrumentų programą. Kinijos mokslo ir technologijų fondas (CNRI) ir realiu laiku bei atominiu mastu stebėjo topologinių defektų formavimosi dinamiką krūvio tankio bangų medžiagoje 1T-TiSe2 esant optiniam sužadinimui (1 pav.). Darbas neseniai buvo paskelbtas Nature Physics pavadinimu „Ultragreitas topologinių defektų susidarymas 2D krūvio tankio bangoje“.
Skirtingai nuo tiesioginio defektų vaizdavimo realioje erdvėje, šis eksperimentas naudoja difrakciją, kad gautų struktūrinę informaciją apie defektus, nes skirtingos defektų struktūros atvirkštinėje erdvėje sudaro skirtingus difrakcijos pirštų atspaudus (2 pav.). Išanalizavusi ir imitavusi difrakcijos smailes bei difuzinės sklaidos signalus, tyrėjų komanda sėkmingai iššifravo dinaminį medžiagos struktūros procesą ir topologinius defektus po šviesos sužadinimo.
2 paveikslas: Scheminis difrakcijos taško informacijos, atitinkančios skirtingus struktūrų pasiskirstymus, vaizdavimas
Eksperimentai buvo atlikti su 2D kvantine medžiaga 1T-TiSe2, kurioje vyksta krūvio tankio bangos (CDW) fazinis perėjimas prie 200 K. Ankstesniuose eksperimentuose komanda nustatė, kad kai kurių sluoksnių CDW struktūrą galima valdyti tvarkingai silpnu femtosekundiniu lazeriu, kad sukeltų viso sluoksnio inversiją, kai temperatūra yra žemesnė nei 200 K. Dėl to pradinio CDW ir apversto CDW sąsajoje gali susidaryti domenas su 2D elektronine būsena. sluoksnis. domeno siena su dvimatėmis elektroninėmis būsenomis [Nature 595,239(2021)]. Kadangi siurblio lazerio energijos tankis ir toliau didėja, CDW sluoksnių, kuriuose vyksta struktūrinė inversija, skaičius palaipsniui didėja, o trimatis CDW visiškai paverčiamas dvimačiu CDW be jokios koreliacijos tarp sluoksnių [Nature Communications 13, 963 (2022)].
Šiame tyrime komanda pasirinko matavimo temperatūrą, viršijančią 200 K, tai yra būsena, kai 1T-TiSe2 yra tik 2D CDW plokštumoje. Analizuodama difuzinės sklaidos signalą difrakcijos taške, kuris yra maždaug 1000 kartų silpnesnis už įprastą Braggo piko signalą (3 pav.), komanda nustatė, kad dvimatis CDW briaunoje taip pat patiria panašų inversijos procesą kaip ir trys. -dimensinis CDW, ty yra vienos grandinės CDW inversija briaunoje ir kad šis inversijos procesas skatina vienmatės srities sienelės susidarymą, ty vienmačius topologinius defektus, sluoksnyje (žr. apatiniame kairiajame kampe 2 pav.).
Dėl itin didelės sistemos laiko skiriamosios gebos ir signalo ir triukšmo santykio, matuojant 1D domeno sienas, grupė taip pat nustatė, kad tą patį defekto susidarymo laiką lydi tam tikri difuziniai sklaidos signalai su specialiu pasiskirstymu. atvirkštinė erdvė. Kartu su teoriniu difuzinio sklaidos signalų modeliavimu ir susijusia dinamika, komanda nustatė, kad šie signalai gaunami iš išilginių akustinių fononų, generuojamų optiniu sužadinimu, ir kad šie išilginiai akustiniai fononai yra pirmiau minėtų grandinės srities sienelės defektų susidarymo veiksnys. .
Šis darbas pirmą kartą parodo defektų susidarymo procesą po pikosekundės laiko skalėje ir pagrindinį grotelių vibracijos vaidmenį procese, o tai suteiks svarbios informacijos, kad ateityje būtų galima suprasti nepusiausvyros medžiagos prigimtį ir topologinį vaidmenį. defektai, o fononų dinamikos analizės metodas taip pat gali padėti geriau suprasti energijos konversijos mechanizmą kvantinėse medžiagose, termoelektrinėse medžiagose ir kitose naujose energetinėse medžiagose.
Šį darbą rėmė Kinijos nacionalinė pagrindinių mokslinių tyrimų ir plėtros programa (Nr. 2021YFA1400202), Kinijos nacionalinis gamtos mokslų fondas (NNSFC) (Nr. 11925505, 12005132, 11504232 ir 11721091), Šanchajaus savivaldybės pagrindinė programa. Mokslas ir technologijos (Nr. 16DZ2260200), JAV Energetikos departamentas (DOE) ir JAV Nacionalinis mokslo fondas (NSF). Fondas (NSF). Dr. Yun Cheng (baigė) iš Šanchajaus Jiaotong universiteto ir daktaras Alfredas Zongas, Milerio universiteto Kalifornijos Berklio bendradarbis (netrukus bus Stanfordo universiteto docentas) yra pirmieji šio straipsnio autoriai.
