Kecacatan topologi memainkan peranan penting dalam proses peralihan fasa. Mengambil teori pembentukan awal alam semesta sebagai contoh, selepas Letupan Besar, alam semesta menyejuk dengan cepat, yang mencetuskan satu siri peralihan fasa spontan. ahli fizik teori, seperti Tom Kibble, telah mencadangkan bahawa kecacatan topologi akan dihasilkan bersama-sama dengan peralihan fasa ini pada suhu yang menjunam, dan kecacatan ini dikenali sebagai rentetan kosmik. Memandangkan masih sukar untuk memerhati secara langsung proses pembentukan rentetan kosmik melalui kaedah eksperimen semasa, orang ramai juga meneroka penggunaan sistem lain untuk mengkaji kecacatan topologi, dan bahan kuantum menyediakan platform yang ideal untuk mengkaji proses pembentukan kecacatan topologi di tahap mikroskopik. Dalam kajian bahan kuantum, kecacatan topologi bukan sahaja dijana dalam penurunan suhu, tetapi juga kecacatan topologi sementara boleh dijana oleh pengujaan rasuk femtosecond, dan kecacatan ini sering menyebabkan sifat atau peralihan fasa yang tidak wujud dalam keseimbangan, seperti cahaya- peralihan fasa penebat-logam teraruh dan tingkah laku seperti superkonduktor. Sama seperti masalah rentetan kosmik, pembentukan dinamik kecacatan topologi yang disebabkan oleh foto telah kekurangan pemerhatian eksperimen pada skala mikroskopik dan skala masa ultrashort, dan terdapat kekurangan konsensus pada masa yang tepat yang diperlukan untuk pembentukan kecacatan topologi.
Imej Rajah 1: Penjanaan kecacatan topologi akibat laser femtosaat
Untuk dapat mengkaji proses pembentukan kecacatan ini pada kedua-dua skala spatial nanometer dan skala masa femtosaat, kumpulan yang diketuai oleh Prof. Wizard dari Pusat Pengajian Fizik dan Astronomi/Institut Pengajian Lanjutan Zhangjiang dan Ahli Akademik Jie Zhang dari Pusat Pengajian Fizik dan Astronomi/Institut Penyelidikan Li Zhendao di Universiti Shanghai Jiao Tong baru-baru ini bekerjasama dengan penyelidik dari Universiti Sains dan Teknologi Shanghai (SUSTech), Universiti California, Berkeley dan Los Angeles, Makmal Kebangsaan Brookhaven (BNL). ), dan Universiti Amsterdam (UA). Dengan kerjasama penyelidik di University of California, Berkeley, dan Los Angeles, Brookhaven National Laboratory, dan University of Amsterdam, kumpulan itu telah menggunakan sistem pembelauan elektron ultrafast mega-volt yang dibangunkan secara bebas dengan sokongan Program Instrumentasi Penyelidikan Kebangsaan Yayasan Sains dan Teknologi China (CNRI), dan telah memerhati, dalam masa nyata dan pada skala atom, dinamik pembentukan kecacatan topologi dalam bahan gelombang ketumpatan cas 1T-TiSe2 di bawah pengujaan optik (Rajah 1). Kerja itu baru-baru ini diterbitkan dalam Nature Physics di bawah tajuk "Pembentukan ultrafast kecacatan topologi dalam gelombang ketumpatan cas 2D".
Tidak seperti pengimejan langsung kecacatan dalam ruang sebenar, eksperimen ini menggunakan pembelauan untuk mendapatkan maklumat struktur kecacatan, kerana struktur kecacatan yang berbeza membentuk cap jari pembelauan yang berbeza dalam ruang songsang (Rajah 2). Selepas menganalisis dan mensimulasikan puncak pembelauan serta isyarat serakan yang meresap, pasukan penyelidik berjaya menyahkod proses dinamik struktur bahan dan kecacatan topologi selepas pengujaan cahaya.
Imej 2: Perwakilan skematik maklumat titik pembelauan sepadan dengan taburan struktur yang berbeza
Eksperimen telah dijalankan pada bahan kuantum 2D 1T-TiSe2, yang menjalani peralihan fasa gelombang ketumpatan cas (CDW) berhampiran 200 K. Pasukan mendapati dalam eksperimen lepas bahawa struktur CDW dalam beberapa lapisan boleh dikawal dalam teratur oleh laser femtosaat yang lemah untuk menyebabkan penyongsangan keseluruhan lapisan apabila suhu di bawah 200 K. Akibatnya, domain dengan keadaan elektronik 2D boleh dibentuk pada antara muka CDW asal dan CDW terbalik lapisan. dinding domain dengan keadaan elektronik dua dimensi [Nature 595,239(2021)]. Apabila ketumpatan tenaga laser pam terus meningkat, bilangan lapisan CDW yang mengalami tingkah laku penyongsangan struktur secara beransur-ansur meningkat, dan CDW tiga dimensi diubah sepenuhnya menjadi CDW dua dimensi tanpa korelasi antara lapisan [Nature Communications 13, 963 (2022)].
Dalam kajian ini, pasukan memilih suhu pengukuran melebihi 200 K, iaitu keadaan di mana hanya CDW 2D dalam satah wujud dalam 1T-TiSe2. Dengan menganalisis isyarat serakan serakan di tempat pembelauan, iaitu kira-kira 1000 kali lebih lemah daripada isyarat puncak Bragg konvensional (Rajah 3), pasukan mendapati bahawa CDW dua dimensi dalam faset juga mengalami proses penyongsangan yang sama seperti ketiga-tiga CDW -dimensi, iaitu, wujud penyongsangan CDW berkantai tunggal dalam faset, dan proses penyongsangan ini mendorong pembentukan dinding domain satu dimensi, iaitu, kecacatan topologi satu dimensi, dalam lapisan (lihat rajah skematik dalam sudut kiri bawah Rajah 2).
Terima kasih kepada resolusi temporal ultra tinggi dan nisbah isyarat-kepada-bunyi sistem, sambil mengukur dinding domain 1D, kumpulan itu juga mendapati bahawa skala masa yang sama pembentukan kecacatan disertai oleh beberapa isyarat penyebaran meresap dengan pengedaran khas dalam ruang songsang. Digabungkan dengan simulasi teori bagi isyarat serakan serakan dan dinamik yang berkaitan, pasukan mendapati bahawa isyarat ini datang daripada fonon akustik membujur yang dijana oleh pengujaan optik, dan fonon akustik membujur ini adalah faktor pencetus untuk pembentukan kecacatan dinding domain rantai yang disebutkan di atas. .
Kerja ini menunjukkan buat kali pertama proses pembentukan kecacatan dalam skala masa sub-picosecond dan peranan utama getaran kekisi dalam proses itu, yang akan memberikan maklumat penting untuk pemahaman masa depan tentang sifat jirim bukan keseimbangan dan peranan topologi. kecacatan, dan kaedah analisis dinamik fonon juga boleh membantu untuk memahami lebih lanjut mekanisme penukaran tenaga dalam bahan kuantum, bahan termoelektrik dan bahan tenaga baharu yang lain.
Kerja ini disokong oleh Program Penyelidikan dan Pembangunan Utama Negara China (No. 2021YFA1400202), Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China (NNSFC) (No. 11925505, 12005132, 11504232 dan 11721091), Program Utama Suruhanjaya Perbandaran Shanghai Sains dan Teknologi (No. 16DZ2260200), Jabatan Tenaga (JAS) AS dan Yayasan Sains Kebangsaan AS (NSF). Yayasan (NSF). Dr. Yun Cheng (lulus) dari Universiti Shanghai Jiaotong dan Dr. Alfred Zong, Felo Miller di Universiti California, Berkeley (tidak lama lagi akan menjadi Penolong Profesor di Universiti Stanford) ialah pengarang pertama artikel itu.
