A topológiai hibák döntő szerepet játszanak a fázisátalakulási folyamatban. A korai univerzum kialakulásának elméletét tekintve az ősrobbanás után az univerzum gyorsan lehűlt, ami spontán fázisátalakulások sorozatát váltotta ki. elméleti fizikusok, mint például Tom Kibble, azt javasolták, hogy ezekkel a fázisátalakulásokkal együtt topológiai hibák keletkeznének zuhanó hőmérsékleten, és ezeket a hibákat kozmikus húroknak nevezik. Mivel a kozmikus húrok képződésének folyamatát a jelenlegi kísérleti eszközökkel még mindig nehéz közvetlenül megfigyelni, az emberek más rendszerek alkalmazását is vizsgálják a topológiai hibák tanulmányozására, és a kvantumanyagok ideális platformot biztosítanak a topológiai hibák kialakulásának folyamatának tanulmányozásához. mikroszkopikus szinten. A kvantumanyagok tanulmányozása során a topológiai hibák nemcsak a hőmérséklet-esésekben keletkeznek, hanem tranziens topológiai hibák is keletkezhetnek femtoszekundumos nyalábgerjesztéssel, és ezek a hibák gyakran olyan tulajdonságokat vagy fázisátalakulásokat indukálnak, amelyek egyensúlyban nem léteznek, mint pl. indukált szigetelő-fém fázisátalakulások és szupravezető-szerű viselkedés. Hasonlóan a kozmikus húrok problémájához, a fotoindukált topológiai hibák dinamikus kialakulásában hiányoztak a mikroszkopikus léptékű és ultrarövid időskálájú kísérleti megfigyelések, és nincs konszenzus a topológiai hibák kialakulásához szükséges pontos időről.
Image 1. ábra: Topológiai hibák femtoszekundumos lézer-indukált generálása
Annak érdekében, hogy tanulmányozhassák e hibák kialakulásának folyamatát mind a nanométerek térbeli skáláján, mind a femtoszekundumok időskáláján, a Prof. Wizard, a Fizikai és Csillagászati Iskola/Zhangjiang Institute of Advanced Studies és Jie akadémikus vezette csoport Zhang, a Sanghaji Jiao Tong Egyetem Fizikai és Csillagászati Iskola/Li Zhendao Kutatóintézetének munkatársa a közelmúltban együttműködött a Sanghaji Tudományos és Technológiai Egyetem (SUSTech), a Kaliforniai Egyetem, Berkeley és Los Angeles, Brookhaven National Laboratory (BNL) kutatóival. ), valamint az Amszterdami Egyetem (UA). A Kaliforniai Egyetem, Berkeley és Los Angeles, a Brookhaven National Laboratory és az Amszterdami Egyetem kutatóival együttműködve a csoport egy megavoltos ultragyors elektrondiffrakciós rendszert használt, amelyet a National Research Instrumentation Program támogatásával függetlenül fejlesztettek ki. a Kínai Tudományos és Technológiai Alapítvány (CNRI), és valós időben és atomi léptékben megfigyelte a topológiai hibák kialakulásának dinamikáját az 1T-TiSe2 töltéssűrűség-hullámanyagban optikai gerjesztés hatására (1. ábra). A munka a közelmúltban jelent meg a Nature Physics folyóiratban "Topológiai hibák ultragyors kialakulása 2D töltéssűrűség-hullámban" címmel.
Ellentétben a hibák valós térben történő közvetlen leképezésével, ez a kísérlet diffrakciót használ a hibák szerkezeti információinak megszerzésére, mivel a különböző hibastruktúrák eltérő diffrakciós ujjlenyomatokat képeznek az inverz térben (2. ábra). A diffrakciós csúcsok, valamint a diffúz szórásjelek elemzése és szimulációja után a kutatócsoport sikeresen dekódolta az anyagszerkezet és a topológiai hibák fénygerjesztést követő dinamikus folyamatát.
2. kép: A diffrakciós foltok információinak sematikus ábrázolása a különböző szerkezeti eloszlások szerint
A kísérleteket az 1T-TiSe2 2D kvantumanyagon végezték, amely töltéssűrűségű hullám (CDW) fázisátalakuláson megy keresztül 200 K közelében. A csapat korábbi kísérletei során azt találta, hogy a CDW szerkezete egyes rétegekben szabályozható egy 200 K alatti hőmérséklet esetén egy gyenge femtoszekundumos lézerrel rendezett módon az egész réteg inverzióját okozza. Ennek eredményeként az eredeti CDW és az invertált CDW felületén egy 2D elektronikus állapotú tartomány alakulhat ki. réteg. tartományfal kétdimenziós elektronikus állapotokkal [Nature 595,239(2021)]. Ahogy a pumpás lézer energiasűrűsége tovább növekszik, a szerkezeti inverziós viselkedésen átmenő CDW-rétegek száma fokozatosan növekszik, és a háromdimenziós CDW teljesen átalakul kétdimenziós CDW-vé, anélkül, hogy a rétegek között korreláció lenne [Nature Communications 13, 963 (2022)].
Ebben a tanulmányban a csapat a 200 K feletti mérési hőmérsékletet választotta, ami az az állapot, amelyben csak a síkbeli 2D CDW létezik az 1T-TiSe2-ben. A diffrakciós foltban lévő diffúz szórási jel elemzésével, amely körülbelül 1000-szer gyengébb, mint a hagyományos Bragg csúcsjel (3. ábra), a csapat megállapította, hogy a fazettán belüli kétdimenziós CDW is hasonló inverziós folyamaton megy keresztül, mint a három. -dimenziós CDW, azaz létezik egyszálú CDW inverzió a fazettán belül, és ez az inverziós folyamat egydimenziós tartományfal, azaz egydimenziós topológiai hibák kialakulását idézi elő a rétegen belül (lásd a vázlatos diagramot ábra bal alsó sarka).
A rendszer ultramagas időbeli felbontásának és jel-zaj viszonyának köszönhetően az 1D tartomány falainak mérése során a csoport azt is megállapította, hogy a hibaképződés azonos időskálájához speciális eloszlású diffúz szórásjelek társulnak. az inverz tér. A diffúz szóródási jelek és a kapcsolódó dinamika elméleti szimulációival kombinálva a csapat megállapította, hogy ezek a jelek optikai gerjesztés által generált longitudinális akusztikus fononokból származnak, és hogy ezek a longitudinális akusztikus fononok a kiváltó tényező a fent említett lánctartomány falhibáinak kialakulásában. .
Ez a munka először mutatja be a hibaképződés folyamatát szubpikoszekundumos időskálán és a rácsrezgés kulcsszerepét a folyamatban, ami fontos információkkal szolgál majd a nem egyensúlyi anyagok természetének és a topológiai szerepének jövőbeli megértéséhez. hibákat, és a fonondinamikai elemzési módszer is segíthet a kvantumanyagok, termoelektromos anyagok és más új energetikai anyagok energiaátalakítási mechanizmusának további megértésében.
Ezt a munkát a Kínai Nemzeti Kulcsfontosságú Kutatási és Fejlesztési Program (2021YFA1400202), a Kínai Nemzeti Természettudományi Alapítvány (NNSFC) (11925505, 12005132, 11504232 és 11721091), a Sanghaji Városi Bizottság főprogramja támogatta. Tudomány és technológia (No. 16DZ2260200), az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) és az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Alapítványa (NSF). Alapítvány (NSF). Dr. Yun Cheng (végzett) a Shanghai Jiaotong Egyetemen és Dr. Alfred Zong, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem Miller munkatársa (hamarosan a Stanford Egyetem adjunktusa lesz) a cikk társszerzői.
