Тополошки дефекти играју кључну улогу у процесу фазне транзиције. Узимајући за пример теорију раног формирања универзума, после Великог праска, универзум се брзо охладио, што је покренуло низ спонтаних фазних прелаза. теоретски физичари, као што је Том Киббле, су предложили да се тополошки дефекти генеришу заједно са овим фазним прелазима при опадајућим температурама, а ови дефекти су познати као космичке жице. Пошто је још увек тешко директно посматрати процес формирања космичких струна тренутним експерименталним средствима, људи такође истражују употребу других система за проучавање тополошких дефеката, а квантни материјали пружају идеалну платформу за проучавање процеса формирања тополошких дефеката на микроскопски ниво. У проучавању квантних материјала, тополошки дефекти се не генеришу само у паду температуре, већ се и пролазни тополошки дефекти могу генерисати узбудом фемтосекундног снопа, а ови дефекти често индукују својства или фазне прелазе који не постоје у равнотежи, као што је светло индукованих фазних прелаза изолатор-метал и понашања сличног суправодљивости. Слично проблему космичких струна, динамичком формирању фото-индукованих тополошких дефеката недостају експериментална посматрања на микроскопским скалама и ултракратким временским скалама, а постоји и недостатак консензуса о тачном времену потребном за формирање тополошких дефеката.
Слика Слика 1: Генерисање тополошких дефеката изазвано фемтосекундним ласером
Да би могли да проучавају процес формирања ових дефеката како на просторној скали од нанометара тако и на временској скали фемтосекунди, група коју предводе проф. Зханг са Факултета за физику и астрономију/Ли Зхендао истраживачког института на Шангајском универзитету Јиао Тонг недавно је сарађивао са истраживачима са Шангајског универзитета науке и технологије (СУСТецх), Универзитета у Калифорнији, Берклију и Лос Анђелесу, Национална лабораторија Броокхавен (БНЛ ), и Универзитет у Амстердаму (УА). У сарадњи са истраживачима на Универзитету Калифорније, Берклију и Лос Анђелесу, Националној лабораторији Броокхавен и Универзитету у Амстердаму, група је користила мегаволтни ултрабрзи систем дифракције електрона развијен независно уз подршку Националног истраживачког инструментационог програма Кинеска фондација за науку и технологију (ЦНРИ) и посматрала је, у реалном времену и на атомској скали, динамику формирања тополошких дефеката у материјалу таласа густине наелектрисања 1Т-ТиСе2 под оптичком побудом (слика 1). Рад је недавно објављен у Натуре Пхисицс под насловом „Ултрабрзо формирање тополошких дефеката у 2Д таласу густине наелектрисања“.
За разлику од директног снимања дефеката у реалном простору, овај експеримент користи дифракцију за добијање структурних информација о дефектима, пошто различите структуре дефекта формирају различите отиске прстију дифракције у инверзном простору (слика 2). Након анализе и симулације дифракционих пикова као и сигнала дифузног расејања, истраживачки тим је успешно декодирао динамички процес структуре материјала и тополошких дефеката након побуђивања светлости.
Слика 2: Шематски приказ информација о дифракцијским тачкама које одговарају различитим дистрибуцијама структуре
Експерименти су спроведени на 2Д квантном материјалу 1Т-ТиСе2, који пролази фазну транзицију таласа густине наелектрисања (ЦДВ) близу 200 К. Тим је у прошлим експериментима открио да се структура ЦДВ-а у неким слојевима може контролисати у на уредан начин слабим фемтосекундним ласером да изазове инверзију целог слоја када је температура испод 200 К. Као резултат, домен са 2Д електронским стањем може да се формира на интерфејсу оригиналног ЦДВ и ЦДВ инвертованог слој. доменски зид са дводимензионалним електронским стањима [Натуре 595,239(2021)]. Како густина енергије ласера пумпе наставља да расте, број ЦДВ слојева који пролазе кроз понашање структурне инверзије постепено се повећава, а тродимензионални ЦДВ се потпуно трансформише у дводимензионални ЦДВ без корелације између слојева [Натуре Цоммуницатионс 13, 963 (2022)].
У овој студији, тим је изабрао температуру мерења изнад 200 К, што је стање у коме постоји само 2Д ЦДВ у равни у 1Т-ТиСе2. Анализом сигнала дифузног расејања у тачки дифракције, која је око 1000 пута слабија од конвенционалног Бреговог пик сигнала (слика 3), тим је открио да дводимензионални ЦДВ унутар фасете такође пролази кроз сличан процес инверзије као и три -димензионални ЦДВ, тј. постоји једноланчана ЦДВ инверзија унутар фасете, и да овај процес инверзије индукује формирање једнодимензионалног зида домена, односно једнодимензионалних тополошких дефеката, унутар слоја (погледајте шематски дијаграм у доњи леви угао слике 2).
Захваљујући ултра високој временској резолуцији и односу сигнал-шум система, током мерења 1Д зидова домена, група је такође открила да је иста временска скала формирања дефекта праћена неким дифузним сигналима расејања са посебним расподелама у инверзни простор. У комбинацији са теоријским симулацијама сигнала дифузног расејања и сродне динамике, тим је открио да ови сигнали потичу од уздужних акустичних фонона генерисаних оптичком ексцитацијом, и да су ови уздужни акустични фонони покретачки фактор за формирање дефеката на зиду домена ланца поменутих горе. .
Овај рад по први пут приказује процес формирања дефекта у временској скали суб-пикосекунде и кључну улогу вибрације решетке у том процесу, што ће пружити важне информације за будуће разумевање природе неравнотежне материје и улоге тополошких дефекти, а метода анализе фононске динамике такође може помоћи у даљем разумевању механизма конверзије енергије у квантним материјалима, термоелектричним материјалима и другим новим енергетским материјалима.
Овај рад је подржан од стране Националног кључног истраживачког и развојног програма Кине (бр. 2021ИФА1400202), Националне фондације за природне науке Кине (ННСФЦ) (бр. 11925505, 12005132, 11504232 и 11721091), Главног програма општине Схангха. Наука и технологија (бр. 16ДЗ2260200), Министарство енергетике САД (ДОЕ) и Национална научна фондација САД (НСФ). Фондација (НСФ). Др Јун Ченг (дипломирао) на Шангајском универзитету Јиаотонг и др Алфред Зонг, сарадник Миллер на Универзитету Калифорније у Берклију (ускоро доцент на Универзитету Станфорд) су први аутори чланка.
