Khiếm khuyết cấu trúc liên kết đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển pha. Lấy lý thuyết về sự hình thành vũ trụ sơ khai làm ví dụ, sau Vụ nổ lớn, vũ trụ nguội đi nhanh chóng, gây ra một loạt các chuyển pha tự phát. các nhà vật lý lý thuyết, chẳng hạn như Tom Kibble, đã đề xuất rằng các khiếm khuyết tôpô sẽ được tạo ra cùng với các chuyển pha này ở nhiệt độ giảm mạnh, và những khiếm khuyết này được gọi là dây vũ trụ. Do vẫn khó quan sát trực tiếp quá trình hình thành các dây vũ trụ bằng các phương tiện thí nghiệm hiện nay nên người ta cũng đang khám phá việc sử dụng các hệ thống khác để nghiên cứu các khuyết tật tôpô và vật liệu lượng tử cung cấp một nền tảng lý tưởng để nghiên cứu quá trình hình thành các khuyết tật tôpô ở mức độ vi mô. Trong nghiên cứu vật liệu lượng tử, các khiếm khuyết tôpô không chỉ được tạo ra khi nhiệt độ giảm mà còn các khiếm khuyết tôpô nhất thời có thể được tạo ra do sự kích thích của chùm tia femto giây, và những khiếm khuyết này thường gây ra các đặc tính hoặc sự chuyển pha không tồn tại ở trạng thái cân bằng, chẳng hạn như ánh sáng- gây ra sự chuyển pha pha kim loại cách điện và hành vi giống như siêu dẫn. Tương tự như bài toán về dây vũ trụ, sự hình thành động lực của các khuyết tật tôpô do ảnh gây ra đã thiếu các quan sát thực nghiệm ở quy mô vi mô và quy mô thời gian cực ngắn, đồng thời thiếu sự đồng thuận về thời gian chính xác cần thiết cho sự hình thành khuyết tật tôpô.
Hình 1: Sự tạo ra các khuyết tật cấu trúc liên kết do tia laser Femto giây gây ra
Để có thể nghiên cứu quá trình hình thành các khuyết tật này ở cả quy mô không gian nanomet và quy mô thời gian femto giây, một nhóm do Giáo sư Wizard của Trường Vật lý và Thiên văn học/Viện Nghiên cứu Cao cấp Trương Giang và Viện sĩ Jie dẫn đầu. Zhang thuộc Trường Vật lý và Thiên văn học/Viện nghiên cứu Li Zhendao tại Đại học Giao thông Thượng Hải gần đây đã hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải (SUSTech), Đại học California, Berkeley và Los Angeles, Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL). ) và Đại học Amsterdam (UA). Phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley và Los Angeles, Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven và Đại học Amsterdam, nhóm đã sử dụng hệ thống nhiễu xạ electron cực nhanh mega-volt được phát triển độc lập với sự hỗ trợ của Chương trình thiết bị nghiên cứu quốc gia của Quỹ Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (CNRI), và đã quan sát, trong thời gian thực và ở quy mô nguyên tử, động lực hình thành các khuyết tật tôpô trong vật liệu sóng mật độ điện tích 1T-TiSe2 dưới sự kích thích quang học (Hình 1). Công trình gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Vật lý tự nhiên với tiêu đề “Sự hình thành cực nhanh các khiếm khuyết tôpô trong sóng mật độ điện tích 2D”.
Không giống như hình ảnh trực tiếp của các khuyết tật trong không gian thực, thí nghiệm này sử dụng nhiễu xạ để thu được thông tin cấu trúc của các khuyết tật, vì các cấu trúc khuyết tật khác nhau tạo thành các dấu vân tay nhiễu xạ khác nhau trong không gian nghịch đảo (Hình 2). Sau khi phân tích và mô phỏng các đỉnh nhiễu xạ cũng như tín hiệu tán xạ khuếch tán, nhóm nghiên cứu đã giải mã thành công quá trình động học cấu trúc vật liệu và các khuyết tật tôpô sau khi kích thích ánh sáng.
Hình 2: Sơ đồ biểu diễn thông tin điểm nhiễu xạ tương ứng với các phân bố cấu trúc khác nhau
Các thí nghiệm được tiến hành trên vật liệu lượng tử 2D 1T-TiSe2, vật liệu này trải qua quá trình chuyển pha sóng mật độ điện tích (CDW) gần 200 K. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra trong các thí nghiệm trước đây rằng cấu trúc của CDW ở một số lớp có thể được kiểm soát trong một một cách có trật tự bằng tia laser femto giây yếu để gây ra sự đảo ngược của toàn bộ lớp khi nhiệt độ dưới 200 K. Kết quả là, một miền có trạng thái điện tử 2D có thể được hình thành tại giao diện của CDW gốc và CDW của đảo ngược lớp. tường miền với trạng thái điện tử hai chiều [Nature 595,239(2021)]. Khi mật độ năng lượng của laser bơm tiếp tục tăng, số lượng lớp CDW trải qua hành vi đảo ngược cấu trúc tăng dần và CDW ba chiều được chuyển đổi hoàn toàn thành CDW hai chiều mà không có mối tương quan giữa các lớp [Nature Communications 13, 963 (2022)].
Trong nghiên cứu này, đội nghiên cứu đã chọn nhiệt độ đo trên 200 K, đây là trạng thái mà chỉ CDW 2D trong mặt phẳng tồn tại trong 1T-TiSe2. Bằng cách phân tích tín hiệu tán xạ khuếch tán ở điểm nhiễu xạ, yếu hơn khoảng 1000 lần so với tín hiệu cực đại Bragg thông thường (Hình 3), nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng CDW hai chiều bên trong mặt này cũng trải qua quá trình đảo ngược tương tự như ba CDW chiều, tức là tồn tại sự đảo ngược CDW chuỗi đơn bên trong bề mặt và quá trình đảo ngược này gây ra sự hình thành vách miền một chiều, tức là các khiếm khuyết tôpô một chiều, bên trong lớp (xem sơ đồ trong góc dưới bên trái của Hình 2).
Nhờ độ phân giải thời gian cực cao và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hệ thống, trong khi đo các bức tường miền 1D, nhóm cũng nhận thấy rằng cùng một thang thời gian hình thành khuyết tật đi kèm với một số tín hiệu tán xạ khuếch tán có phân bố đặc biệt trong không gian nghịch đảo. Kết hợp với các mô phỏng lý thuyết về tín hiệu tán xạ khuếch tán và động lực học liên quan, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng những tín hiệu này đến từ các phonon âm thanh theo chiều dọc được tạo ra bởi sự kích thích quang học, và các phonon âm thanh theo chiều dọc này là yếu tố kích hoạt sự hình thành các khiếm khuyết của vách miền chuỗi đã đề cập ở trên .
Công trình này lần đầu tiên cho thấy quá trình hình thành khuyết tật ở thang thời gian dưới pico giây và vai trò chính của dao động mạng trong quá trình này, điều này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho sự hiểu biết trong tương lai về bản chất của vật chất không cân bằng và vai trò của cấu trúc liên kết. các khiếm khuyết và phương pháp phân tích động lực học phonon cũng có thể giúp hiểu rõ hơn về cơ chế chuyển đổi năng lượng trong vật liệu lượng tử, vật liệu nhiệt điện và các vật liệu năng lượng mới khác.
Công trình này được hỗ trợ bởi Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia của Trung Quốc (số 2021YFA1400202), Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc (NNSFC) (số 11925505, 12005132, 11504232 và 11721091), Chương trình Chính của Ủy ban Thành phố Thượng Hải Khoa học và Công nghệ (số 16DZ2260200), Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) và Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NSF). Quỹ (NSF). Tiến sĩ Yun Cheng (đã tốt nghiệp) từ Đại học Giao thông Thượng Hải và Tiến sĩ Alfred Zong, Miller Fellow tại Đại học California, Berkeley (sắp trở thành Trợ lý Giáo sư tại Đại học Stanford) là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.
