Cacat topologi memainkan peran penting dalam proses transisi fase. Dengan mengambil contoh teori pembentukan alam semesta awal, setelah Big Bang, alam semesta mendingin dengan cepat, yang memicu serangkaian transisi fase spontan. fisikawan teoretis, seperti Tom Kibble, telah mengusulkan bahwa cacat topologi akan dihasilkan bersamaan dengan transisi fase ini pada suhu yang turun drastis, dan cacat ini dikenal sebagai string kosmik. Karena masih sulit untuk mengamati secara langsung proses pembentukan string kosmik dengan cara eksperimental saat ini, orang-orang juga menjajaki penggunaan sistem lain untuk mempelajari cacat topologi, dan material kuantum menyediakan platform yang ideal untuk mempelajari proses pembentukan cacat topologi di alam semesta. tingkat mikroskopis. Dalam studi material kuantum, cacat topologi tidak hanya dihasilkan dari penurunan suhu, tetapi juga cacat topologi transien dapat dihasilkan oleh eksitasi berkas femtosecond, dan cacat ini sering kali menyebabkan sifat atau transisi fase yang tidak ada dalam kesetimbangan, seperti cahaya- menginduksi transisi fase isolator-logam dan perilaku seperti superkonduktor. Mirip dengan masalah string kosmik, pembentukan dinamis dari cacat topologi yang disebabkan oleh foto tidak memiliki observasi eksperimental pada skala mikroskopis dan skala waktu ultrashort, dan terdapat kurangnya konsensus mengenai waktu pasti yang diperlukan untuk pembentukan cacat topologi.
Gambar Gambar 1: Generasi cacat topologi yang diinduksi laser Femtosecond
Untuk dapat mempelajari proses terbentuknya cacat tersebut baik pada skala spasial nanometer maupun skala waktu femtodetik, kelompok yang dipimpin oleh Prof. Wizard dari Sekolah Fisika dan Astronomi/Institut Studi Lanjutan Zhangjiang dan Akademisi Jie Zhang dari Sekolah Fisika dan Astronomi/Institut Penelitian Li Zhendao di Shanghai Universitas Jiao Tong baru-baru ini berkolaborasi dengan para peneliti dari Universitas Sains dan Teknologi Shanghai (SUSTech), Universitas California, Berkeley, dan Los Angeles, Laboratorium Nasional Brookhaven (BNL ), dan Universitas Amsterdam (UA). Bekerja sama dengan para peneliti di Universitas California, Berkeley, dan Los Angeles, Laboratorium Nasional Brookhaven, dan Universitas Amsterdam, kelompok ini telah memanfaatkan sistem difraksi elektron ultracepat megavolt yang dikembangkan secara independen dengan dukungan Program Instrumentasi Penelitian Nasional dari Yayasan Sains dan Teknologi China (CNRI), dan telah mengamati, secara real time dan pada skala atom, dinamika pembentukan cacat topologi pada material gelombang kepadatan muatan 1T-TiSe2 di bawah eksitasi optik (Gbr. 1). Karya tersebut baru-baru ini diterbitkan di Nature Physics dengan judul "Pembentukan cacat topologi yang sangat cepat dalam gelombang kepadatan muatan 2D".
Berbeda dengan pencitraan langsung cacat di ruang nyata, percobaan ini menggunakan difraksi untuk memperoleh informasi struktural cacat, karena struktur cacat yang berbeda membentuk sidik jari difraksi berbeda dalam ruang terbalik (Gbr. 2). Setelah menganalisis dan mensimulasikan puncak difraksi serta sinyal hamburan difusi, tim peneliti berhasil memecahkan kode proses dinamis struktur material dan cacat topologi setelah eksitasi cahaya.
Gambar 2: Representasi skema informasi titik difraksi yang sesuai dengan distribusi struktur yang berbeda
Percobaan dilakukan pada bahan kuantum 2D 1T-TiSe2, yang mengalami transisi fase gelombang kepadatan muatan (CDW) mendekati 200 K. Tim menemukan dalam percobaan sebelumnya bahwa struktur CDW di beberapa lapisan dapat dikontrol dengan cara yang sama. secara teratur oleh laser femtodetik yang lemah untuk menyebabkan inversi seluruh lapisan ketika suhu di bawah 200 K. Akibatnya, domain dengan keadaan elektronik 2D dapat dibentuk pada antarmuka CDW asli dan CDW terbalik lapisan. dinding domain dengan keadaan elektronik dua dimensi [Nature 595,239(2021)]. Ketika kepadatan energi laser pompa terus meningkat, jumlah lapisan CDW yang mengalami perilaku inversi struktural secara bertahap meningkat, dan CDW tiga dimensi sepenuhnya diubah menjadi CDW dua dimensi tanpa korelasi antar lapisan [Nature Communications 13, 963 (2022)].
Dalam studi ini, tim memilih suhu pengukuran di atas 200 K, yang merupakan keadaan di mana hanya CDW 2D dalam pesawat yang ada di 1T-TiSe2. Dengan menganalisis sinyal hamburan difraksi di titik difraksi, yang sekitar 1000 kali lebih lemah dibandingkan sinyal puncak Bragg konvensional (Gbr. 3), tim menemukan bahwa CDW dua dimensi dalam faset tersebut juga mengalami proses inversi yang serupa dengan ketiganya. -CDW dimensi, yaitu, terdapat inversi CDW beruntai tunggal di dalam faset, dan proses inversi ini menginduksi pembentukan dinding domain satu dimensi, yaitu cacat topologi satu dimensi, di dalam lapisan (lihat diagram skematik di sudut kiri bawah Gambar 2).
Berkat resolusi temporal yang sangat tinggi dan rasio signal-to-noise dari sistem, saat mengukur dinding domain 1D, kelompok tersebut juga menemukan bahwa skala waktu yang sama dari pembentukan cacat disertai dengan beberapa sinyal hamburan difus dengan distribusi khusus di ruang terbalik. Dikombinasikan dengan simulasi teoritis dari sinyal hamburan difus dan dinamika terkait, tim menemukan bahwa sinyal-sinyal ini berasal dari fonon akustik longitudinal yang dihasilkan oleh eksitasi optik, dan bahwa fonon akustik longitudinal ini adalah faktor pemicu pembentukan cacat dinding domain rantai yang disebutkan di atas. .
Karya ini untuk pertama kalinya menunjukkan proses pembentukan cacat dalam skala waktu sub-pikodetik dan peran kunci getaran kisi dalam proses tersebut, yang akan memberikan informasi penting untuk pemahaman masa depan tentang sifat materi non-ekuilibrium dan peran topologi. cacat, dan metode analisis dinamika fonon juga dapat membantu untuk lebih memahami mekanisme konversi energi dalam material kuantum, material termoelektrik, dan material energi baru lainnya.
Pekerjaan ini didukung oleh Program Penelitian dan Pengembangan Kunci Nasional Tiongkok (No. 2021YFA1400202), Yayasan Ilmu Pengetahuan Alam Nasional Tiongkok (NNSFC) (No. 11925505, 12005132, 11504232 dan 11721091), Program Utama Komisi Kota Shanghai Sains dan Teknologi (No. 16DZ2260200), Departemen Energi AS (DOE) dan Yayasan Sains Nasional AS (NSF). Yayasan (NSF). Yun Cheng (lulus) dari Shanghai Jiaotong University dan Dr. Alfred Zong, Miller Fellow di University of California, Berkeley (segera menjadi Asisten Profesor di Stanford University) adalah penulis pertama artikel ini.
