تلعب العيوب الطوبولوجية دورًا حاسمًا في عملية انتقال المرحلة. وبأخذ نظرية التكوين المبكر للكون كمثال، بعد الانفجار الكبير، برد الكون بسرعة، مما أدى إلى سلسلة من التحولات الطورية التلقائية. اقترح علماء الفيزياء النظرية، مثل توم كيبل، أن العيوب الطوبولوجية ستتولد مع هذه التحولات الطورية عند درجات حرارة منخفضة، وتعرف هذه العيوب بالأوتار الكونية. وبما أنه لا يزال من الصعب مراقبة عملية تكوين الأوتار الكونية بشكل مباشر بالوسائل التجريبية الحالية، فإن الناس يستكشفون أيضًا استخدام أنظمة أخرى لدراسة العيوب الطوبولوجية، وتوفر المواد الكمومية منصة مثالية لدراسة عملية تكوين العيوب الطوبولوجية في المستوى المجهري. في دراسة المواد الكمومية، لا تتولد العيوب الطوبولوجية فقط في الانخفاضات في درجات الحرارة، ولكن يمكن أيضًا إنشاء عيوب طوبولوجية عابرة عن طريق إثارة شعاع الفيمتو ثانية، وغالبًا ما تحفز هذه العيوب خصائص أو تحولات طورية غير موجودة في حالة توازن، مثل الضوء. التحولات الطورية العازلة المعدنية المستحثة والسلوك الشبيه بالموصلية الفائقة. على غرار مشكلة الأوتار الكونية، افتقر التكوين الديناميكي للعيوب الطوبولوجية المستحثة بالصور إلى الملاحظات التجريبية على المقاييس المجهرية والمقاييس الزمنية البالغة القصر، وهناك نقص في الإجماع على الوقت المحدد المطلوب لتكوين الخلل الطوبولوجي.
صورة الشكل 1: جيل الفيمتو ثانية الناجم عن الليزر من العيوب الطوبولوجية
ومن أجل التمكن من دراسة عملية تكوين هذه العيوب على كل من النطاق المكاني للنانومتر والمقياس الزمني للفيمتو ثانية، قامت مجموعة بقيادة البروفيسور ويزارد من كلية الفيزياء وعلم الفلك / معهد تشانغجيانغ للدراسات المتقدمة والأكاديمي جي تعاون تشانغ من كلية الفيزياء وعلم الفلك / معهد أبحاث لي تشنداو بجامعة شنغهاي جياو تونغ مؤخرًا مع باحثين من جامعة شنغهاي للعلوم والتكنولوجيا (SUSTech)، وجامعات كاليفورنيا، وبيركلي، ولوس أنجلوس، ومختبر بروكهافن الوطني (BNL). )، وجامعة أمستردام (UA). بالتعاون مع باحثين في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ولوس أنجلوس، ومختبر بروكهافن الوطني، وجامعة أمستردام، استخدمت المجموعة نظام حيود الإلكترون فائق السرعة بقدرة ميجا فولت تم تطويره بشكل مستقل بدعم من برنامج أدوات البحث الوطني التابع لـ المؤسسة الصينية للعلوم والتكنولوجيا (CNRI)، ولاحظت، في الوقت الفعلي وعلى المستوى الذري، ديناميكيات تكوين العيوب الطوبولوجية في مادة موجة الشحنة والكثافة 1T-TiSe2 تحت الإثارة البصرية (الشكل 1). نُشر العمل مؤخرًا في مجلة Nature Physics تحت عنوان "التكوين الفائق السرعة للعيوب الطوبولوجية في موجة كثافة الشحنة ثنائية الأبعاد".
على عكس التصوير المباشر للعيوب في الفضاء الحقيقي، تستخدم هذه التجربة الحيود للحصول على معلومات هيكلية عن العيوب، حيث تشكل هياكل العيوب المختلفة بصمات حيود مختلفة في الفضاء العكسي (الشكل 2). وبعد تحليل ومحاكاة قمم الحيود وكذلك إشارات التشتت المنتشرة، نجح فريق البحث في فك تشفير العملية الديناميكية لبنية المادة والعيوب الطوبولوجية بعد إثارة الضوء.
الصورة 2: تمثيل تخطيطي لمعلومات بقعة الحيود المقابلة لتوزيعات البنية المختلفة
أجريت التجارب على المادة الكمومية ثنائية الأبعاد 1T-TiSe2، والتي تمر بمرحلة انتقالية لموجة كثافة الشحنة (CDW) بالقرب من 200 كلفن. ووجد الفريق في التجارب السابقة أنه يمكن التحكم في بنية موجة كثافة الشحنة في بعض الطبقات بطريقة بطريقة منظمة بواسطة ليزر الفيمتو ثانية ضعيف لإحداث انقلاب للطبقة بأكملها عندما تكون درجة الحرارة أقل من 200 كلفن. ونتيجة لذلك، يمكن تشكيل مجال ذو حالة إلكترونية ثنائية الأبعاد عند السطح البيني لـ CDW الأصلي وCDW للطبقة المقلوبة طبقة. جدار المجال بحالات إلكترونية ثنائية الأبعاد [الطبيعة 595,239(2021)]. مع استمرار زيادة كثافة طاقة مضخة الليزر، يزداد تدريجيًا عدد طبقات CDW التي تخضع لسلوك الانعكاس الهيكلي، ويتحول CDW ثلاثي الأبعاد بالكامل إلى CDW ثنائي الأبعاد مع عدم وجود ارتباط بين الطبقات [Nature Communications 13, 963 (2022)].
في هذه الدراسة، اختار الفريق درجة حرارة قياس أعلى من 200 كلفن، وهي الحالة التي يوجد فيها فقط 2D CDW على المستوى في 1T-TiSe2. من خلال تحليل إشارة التشتت المنتشرة في نقطة الحيود، والتي هي أضعف بحوالي 1000 مرة من إشارة ذروة براغ التقليدية (الشكل 3)، وجد الفريق أن CDW ثنائي الأبعاد داخل الوجه يخضع أيضًا لعملية انعكاس مماثلة مثل الثلاثة CDW ثنائي الأبعاد، على سبيل المثال، يوجد انقلاب CDW أحادي الجديلة داخل الواجهة، وأن عملية الانعكاس هذه تؤدي إلى تكوين جدار مجال أحادي البعد، أي عيوب طوبولوجية أحادية البعد، داخل الطبقة (انظر الرسم التخطيطي في الزاوية اليسرى السفلية من الشكل 2).
بفضل الدقة الزمنية العالية للغاية ونسبة الإشارة إلى الضوضاء للنظام، أثناء قياس جدران المجال 1D، وجدت المجموعة أيضًا أن نفس المقياس الزمني لتكوين الخلل يكون مصحوبًا ببعض إشارات التشتت المنتشرة مع توزيعات خاصة في الفضاء العكسي. إلى جانب المحاكاة النظرية لإشارات التشتت المنتشرة والديناميكيات ذات الصلة، وجد الفريق أن هذه الإشارات تأتي من فونونات صوتية طولية متولدة عن الإثارة البصرية، وأن هذه الفونونات الصوتية الطولية هي العامل المحفز لتشكيل عيوب جدار المجال المتسلسل المذكورة أعلاه. .
يُظهر هذا العمل لأول مرة عملية تكوين الخلل في مقياس زمني أقل من البيكو ثانية والدور الرئيسي لاهتزاز الشبكة في العملية، مما سيوفر معلومات مهمة للفهم المستقبلي لطبيعة المادة غير المتوازنة ودور الطوبولوجية العيوب، وطريقة تحليل ديناميكيات الفونون يمكن أن تساعد أيضًا في فهم آلية تحويل الطاقة في المواد الكمومية والمواد الكهروحرارية وغيرها من مواد الطاقة الجديدة.
تم دعم هذا العمل من قبل البرنامج الوطني للبحث والتطوير الرئيسي في الصين (رقم 2021YFA1400202)، والمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (NNSFC) (رقم 11925505، 12005132، 11504232 و11721091)، البرنامج الرئيسي للجنة بلدية شنغهاي العلوم والتكنولوجيا (رقم 16DZ2260200)، وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) والمؤسسة الوطنية الأمريكية للعلوم (NSF). مؤسسة (NSF). الدكتور يون تشينغ (تخرج) من جامعة شنغهاي جياوتونغ والدكتور ألفريد زونغ، زميل ميلر في جامعة كاليفورنيا، بيركلي (سيصبح قريبًا أستاذًا مساعدًا في جامعة ستانفورد) هما المؤلفان الأوائل للمقالة.
