Els defectes topològics tenen un paper crucial en el procés de transició de fase. Prenent com a exemple la teoria de la formació primerenca de l'univers, després del Big Bang, l'univers es va refredar ràpidament, la qual cosa va desencadenar una sèrie de transicions de fase espontànies. Els físics teòrics, com Tom Kibble, han proposat que es generarien defectes topològics juntament amb aquestes transicions de fase a temperatures en picat, i aquests defectes es coneixen com a cordes còsmiques. Com que encara és difícil observar directament el procés de formació de cordes còsmiques amb els mitjans experimentals actuals, la gent també està explorant l'ús d'altres sistemes per estudiar defectes topològics, i els materials quàntics proporcionen una plataforma ideal per estudiar el procés de formació de defectes topològics a la nivell microscòpic. En l'estudi dels materials quàntics, els defectes topològics no només es generen en caigudes de temperatura, sinó que també es poden generar defectes topològics transitoris mitjançant l'excitació del feix de femtosegons, i aquests defectes sovint indueixen propietats o transicions de fase que no existeixen en equilibri, com ara la llum. transicions de fase aïllant-metall induïdes i comportament de tipus superconductor. De manera similar al problema de les cordes còsmiques, la formació dinàmica de defectes topològics fotoinduïts ha mancat d'observacions experimentals a escales microscòpiques i escales de temps ultracurtes, i hi ha una manca de consens sobre el temps exacte necessari per a la formació de defectes topològics.
Imatge Figura 1: generació de defectes topològics induïda per làser de femtosegons
Per tal de poder estudiar el procés de formació d'aquests defectes tant a l'escala espacial dels nanòmetres com a l'escala temporal dels femtosegons, un grup dirigit pel professor Wizard de l'Escola de Física i Astronomia/Institut d'Estudis Avançats de Zhangjiang i l'acadèmic Jie Zhang, de l'Escola de Física i Astronomia/Institut de Recerca Li Zhendao de la Universitat Jiao Tong de Xangai, ha col·laborat recentment amb investigadors de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Xangai (SUSTech), les Universitats de Califòrnia, Berkeley i Los Angeles, Brookhaven National Laboratory (BNL). ), i la Universitat d'Amsterdam (UA). En col·laboració amb investigadors de la Universitat de Califòrnia, Berkeley i Los Angeles, el Brookhaven National Laboratory i la Universitat d'Amsterdam, el grup ha utilitzat un sistema de difracció d'electrons ultraràpid de megavolts desenvolupat de manera independent amb el suport del National Research Instrumentation Program de la Fundació Xina per a la Ciència i la Tecnologia (CNRI), i ha observat, en temps real i a escala atòmica, la dinàmica de formació de defectes topològics en el material d'ona de densitat de càrrega 1T-TiSe2 sota excitació òptica (Fig. 1). El treball es va publicar recentment a Nature Physics sota el títol "Ultrafast formation of topological defects in a 2D charge density wave".
A diferència de la imatge directa de defectes a l'espai real, aquest experiment utilitza la difracció per obtenir informació estructural dels defectes, ja que diferents estructures de defectes formen diferents empremtes dactilars de difracció a l'espai invers (Fig. 2). Després d'analitzar i simular els pics de difracció, així com els senyals de dispersió difusa, l'equip d'investigació va descodificar amb èxit el procés dinàmic de l'estructura del material i els defectes topològics després de l'excitació de la llum.
Imatge 2: Representació esquemàtica de la informació del punt de difracció corresponent a diferents distribucions d'estructura
Els experiments es van dur a terme amb el material quàntic 2D 1T-TiSe2, que experimenta una transició de fase d'ona de densitat de càrrega (CDW) prop de 200 K. L'equip va trobar en experiments anteriors que l'estructura del CDW en algunes de les capes es pot controlar en un de manera ordenada mitjançant un làser feble femtosegon per provocar una inversió de tota la capa quan la temperatura és inferior a 200 K. Com a resultat, es pot formar un domini amb un estat electrònic 2D a la interfície del CDW original i el CDW del invertit. capa. Mur de domini amb estats electrònics bidimensionals [Nature 595.239(2021)]. A mesura que la densitat d'energia del làser de la bomba continua augmentant, el nombre de capes de CDW que pateixen un comportament d'inversió estructural augmenta gradualment i el CDW tridimensional es transforma completament en un CDW bidimensional sense cap correlació entre les capes [Nature Communications 13, 963 (2022)].
En aquest estudi, l'equip va triar la temperatura de mesura per sobre de 200 K, que és l'estat en què només existeix el CDW 2D al pla a 1T-TiSe2. En analitzar el senyal de dispersió difusa al punt de difracció, que és unes 1.000 vegades més feble que el senyal de pic de Bragg convencional (Fig. 3), l'equip va trobar que el CDW bidimensional dins de la faceta també experimenta un procés d'inversió similar al dels tres. CDW -dimensional, és a dir, existeix una inversió CDW monocatenària dins de la faceta, i que aquest procés d'inversió indueix la formació d'una paret de domini unidimensional, és a dir, defectes topològics unidimensionals, dins de la capa (vegeu el diagrama esquemàtic a l'angle inferior esquerre de la figura 2).
Gràcies a la resolució temporal ultra alta i la relació senyal-soroll del sistema, mentre mesurava les parets del domini 1D, el grup també va trobar que la mateixa escala de temps de la formació del defecte va acompanyada d'alguns senyals de dispersió difusos amb distribucions especials en l'espai invers. Combinat amb simulacions teòriques dels senyals de dispersió difusa i dinàmiques relacionades, l'equip va trobar que aquests senyals provenen de fonons acústics longitudinals generats per excitació òptica i que aquests fonons acústics longitudinals són el factor desencadenant per a la formació dels defectes de la paret del domini de la cadena esmentats anteriorment. .
Aquest treball mostra per primera vegada el procés de formació de defecte a escala de temps sub-picosegons i el paper clau de la vibració de la gelosia en el procés, que proporcionarà informació important per a la futura comprensió de la naturalesa de la matèria no en equilibri i el paper de la topologia. defectes, i el mètode d'anàlisi de la dinàmica dels fonons també poden ajudar a entendre millor el mecanisme de conversió d'energia en materials quàntics, materials termoelèctrics i altres materials energètics nous.
Aquest treball va comptar amb el suport del Programa Nacional de Recerca i Desenvolupament de la Xina (núm. 2021YFA1400202), la Fundació Nacional de Ciències Naturals de la Xina (NNSFC) (núm. 11925505, 12005132, 11504232 i 11721091), el programa principal de la Comissió Municipal de Xangai de Ciència i tecnologia (núm. 16DZ2260200), el Departament d'Energia dels EUA (DOE) i la Fundació Nacional de Ciència (NSF) dels EUA. Fundació (NSF). El doctor Yun Cheng (graduat) de la Universitat Jiaotong de Xangai i el doctor Alfred Zong, Miller Fellow de la Universitat de Califòrnia, Berkeley (que aviat serà professor adjunt a la Universitat de Stanford) són els co-primers autors de l'article.
