Mae diffygion topolegol yn chwarae rhan hanfodol yn y broses o drawsnewid cyfnod. Gan gymryd theori ffurfiant bydysawd cynnar fel enghraifft, ar ôl y Glec Fawr, oerodd y bydysawd yn gyflym, a ysgogodd gyfres o drawsnewidiadau cyfnod digymell. Mae ffisegwyr damcaniaethol, fel Tom Kibble, wedi cynnig y byddai diffygion topolegol yn cael eu cynhyrchu ynghyd â'r trawsnewidiadau cyfnod hyn ar dymheredd plymio, a gelwir y diffygion hyn yn llinynnau cosmig. Gan ei bod yn dal yn anodd arsylwi'n uniongyrchol ar broses ffurfio llinynnau cosmig trwy ddulliau arbrofol cyfredol, mae pobl hefyd yn archwilio'r defnydd o systemau eraill i astudio diffygion topolegol, ac mae deunyddiau cwantwm yn darparu llwyfan delfrydol ar gyfer astudio'r broses ffurfio o ddiffygion topolegol yn y ganolfan. lefel microsgopig. Wrth astudio deunyddiau cwantwm, nid yn unig y mae diffygion topolegol yn cael eu cynhyrchu mewn gostyngiadau tymheredd, ond hefyd gall diffygion topolegol dros dro gael eu cynhyrchu gan gyffro trawst femtosecond, ac mae'r diffygion hyn yn aml yn achosi priodweddau neu drawsnewidiadau cyfnod nad ydynt yn bodoli mewn ecwilibriwm, megis golau- trawsnewidiadau cyfnod inswleiddiwr-metel ysgogedig ac ymddygiad tebyg i uwchddargludo. Yn debyg i broblem llinynnau cosmig, mae diffyg arsylwadau arbrofol ar raddfeydd microsgopig a graddfeydd amser ultrashort wrth ffurfio deinamig diffygion topolegol a achosir gan ffoto, ac mae diffyg consensws ar yr union amser sydd ei angen ar gyfer ffurfio diffygion topolegol.
Delwedd Ffigur 1: Cenhedlaeth o ddiffygion topolegol a achosir gan laser femtosecond
Er mwyn gallu astudio proses ffurfio'r diffygion hyn ar raddfa ofodol nanometrau ac ar raddfa amser ffemtoeiliadau, mae grŵp dan arweiniad yr Athro Dewin o'r Ysgol Ffiseg a Seryddiaeth/Sefydliad Astudiaethau Uwch Zhangjiang a'r Academydd Jie Yn ddiweddar, cydweithiodd Zhang o’r Ysgol Ffiseg a Seryddiaeth/Sefydliad Ymchwil Li Zhendao ym Mhrifysgol Shanghai Jiao Tong ag ymchwilwyr o Brifysgol Gwyddoniaeth a Thechnoleg Shanghai (SUSTech), Prifysgolion California, Berkeley, a Los Angeles, Labordy Cenedlaethol Brookhaven (BNL). ), a Phrifysgol Amsterdam (AU). Mewn cydweithrediad ag ymchwilwyr ym Mhrifysgol California, Berkeley, a Los Angeles, Labordy Cenedlaethol Brookhaven, a Phrifysgol Amsterdam, mae’r grŵp wedi defnyddio system diffreithiant electronau tra chyflym mega-folt a ddatblygwyd yn annibynnol gyda chefnogaeth y Rhaglen Offeryniaeth Ymchwil Genedlaethol o Sefydliad Tsieina ar gyfer Gwyddoniaeth a Thechnoleg (CNRI), ac mae wedi arsylwi, mewn amser real ac ar y raddfa atomig, ddeinameg diffygion topolegol yn ffurfio yn y deunydd tâl-dwysedd-ton 1T-TiSe2 o dan excitation optegol (Ffig. 1). Cyhoeddwyd y gwaith yn ddiweddar yn Nature Physics o dan y teitl "Ultrafast formation of topological defects in a 2D charge dùmhlachd ton".
Yn wahanol i ddelweddu diffygion yn y gofod real yn uniongyrchol, mae'r arbrawf hwn yn defnyddio diffreithiant i gael gwybodaeth adeileddol am ddiffygion, gan fod strwythurau diffyg gwahanol yn ffurfio gwahanol olion bysedd diffreithiant yn y gofod gwrthdro (Ffig. 2). Ar ôl dadansoddi ac efelychu'r brigau diffreithiant yn ogystal â'r signalau gwasgariad gwasgaredig, llwyddodd y tîm ymchwil i ddatgodio'r broses ddeinamig o strwythur deunydd a diffygion topolegol ar ôl cyffro ysgafn.
Delwedd 2: Cynrychioliad sgematig o wybodaeth sbot diffreithiant sy'n cyfateb i wahanol ddosbarthiadau strwythur
Cynhaliwyd yr arbrofion ar y deunydd cwantwm 2D 1T-TiSe2, sy'n mynd trwy drawsnewidiad cyfnod tonnau dwysedd gwefr (CDW) ger 200 K. Canfu'r tîm mewn arbrofion yn y gorffennol y gellir rheoli strwythur y CDW mewn rhai o'r haenau mewn modd trefnus gan laser femtosecond gwan i achosi gwrthdroad o'r haen gyfan pan fydd y tymheredd yn is na 200 K. O ganlyniad, gellir ffurfio parth â chyflwr electronig 2D ar ryngwyneb y CDW gwreiddiol a CDW y gwrthdro haenen. wal parth gyda chyflyrau electronig dau ddimensiwn [Natur 595,239(2021)]. Wrth i ddwysedd ynni'r laser pwmp barhau i gynyddu, mae nifer yr haenau CDW sy'n destun ymddygiad gwrthdroad strwythurol yn cynyddu'n raddol, ac mae'r CDW tri dimensiwn yn cael ei drawsnewid yn llwyr yn CDW dau ddimensiwn heb unrhyw gydberthynas rhwng yr haenau [Cyfathrebu Natur 13, 963 (2022)].
Yn yr astudiaeth hon, dewisodd y tîm y tymheredd mesur uwchlaw 200 K, sef y cyflwr lle mae CDW 2D mewn awyren yn unig yn bodoli yn 1T-TiSe2. Trwy ddadansoddi'r signal gwasgariad gwasgaredig yn y fan a'r lle diffreithiant, sydd tua 1000 gwaith yn wannach na'r signal brig Bragg confensiynol (Ffig. 3), canfu'r tîm fod y CDW dau-ddimensiwn o fewn y ffased hefyd yn mynd trwy broses wrthdroad tebyg i'r tri. -dimensiynol CDW, h.y., mae gwrthdroad CDW un llinyn yn bodoli o fewn yr ffased, a bod y broses wrthdroad hon yn cymell ffurfio wal parth un dimensiwn, h.y., diffygion topolegol un-dimensiwn, o fewn yr haen (gweler y diagram sgematig yn cornel chwith isaf Ffig. 2).
Diolch i gydraniad amser uwch-uchel a chymhareb signal-i-sŵn y system, wrth fesur y waliau parth 1D, canfu'r grŵp hefyd fod rhai signalau gwasgariad gwasgaredig gyda dosraniadau arbennig yn cyd-fynd â'r un raddfa amser o ffurfio diffygion. y gofod gwrthdro. Ar y cyd ag efelychiadau damcaniaethol o'r signalau gwasgariad gwasgaredig a deinameg cysylltiedig, canfu'r tîm fod y signalau hyn yn dod o ffonnau acwstig hydredol a gynhyrchir gan gyffro optegol, ac mai'r ffonnau acwstig hydredol hyn yw'r ffactor sbarduno ar gyfer ffurfio'r diffygion wal parth cadwyn a grybwyllir uchod. .
Mae'r gwaith hwn yn dangos am y tro cyntaf y broses ffurfio diffygion mewn graddfa amser is-picosecond a rôl allweddol dirgryniad dellt yn y broses, a fydd yn darparu gwybodaeth bwysig ar gyfer dealltwriaeth yn y dyfodol o natur mater nad yw'n gydbwysedd a rôl topolegol diffygion, a gall y dull dadansoddi deinameg phonon hefyd helpu i ddeall ymhellach y mecanwaith trosi ynni mewn deunyddiau cwantwm, deunyddiau thermodrydanol, a deunyddiau ynni newydd eraill.
Cefnogwyd y gwaith hwn gan Raglen Ymchwil a Datblygu Allweddol Genedlaethol Tsieina (Rhif 2021YFA1400202), Sefydliad Cenedlaethol Gwyddoniaeth Naturiol Tsieina (NNSFC) (Rhif 11925505, 12005132, 11504232 a 11721091), Rhaglen Fawr Comisiwn Bwrdeistrefol Shanghai. Gwyddoniaeth a Thechnoleg (Rhif 16DZ2260200), Adran Ynni yr Unol Daleithiau (DOE) a Sefydliad Gwyddoniaeth Cenedlaethol yr Unol Daleithiau (NSF). Sylfaen (NSF). Y Dr Yun Cheng (graddedig) o Brifysgol Shanghai Jiaotong a Dr. Alfred Zong, Cymrawd Miller ym Mhrifysgol California, Berkeley (a fydd yn Athro Cynorthwyol ym Mhrifysgol Stanford yn fuan) yw cyd-awduron yr erthygl.
