ข้อบกพร่องด้านทอพอโลยีมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเปลี่ยนเฟส ยกตัวอย่างทฤษฎีการกำเนิดเอกภพยุคแรกๆ หลังจากเกิดบิ๊กแบง เอกภพเย็นลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งก่อให้เกิดการเปลี่ยนเฟสที่เกิดขึ้นเอง นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎี เช่น ทอม คิบเบิล ได้เสนอว่าข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีจะถูกสร้างขึ้นพร้อมกับการเปลี่ยนเฟสที่อุณหภูมิดิ่งลง และข้อบกพร่องเหล่านี้เรียกว่าเส้นคอสมิก เนื่องจากยังคงเป็นเรื่องยากที่จะสังเกตกระบวนการสร้างเส้นคอสมิกโดยตรงด้วยวิธีการทดลองในปัจจุบัน ผู้คนจึงสำรวจการใช้ระบบอื่นเพื่อศึกษาข้อบกพร่องด้านทอพอโลยี และวัสดุควอนตัมเป็นแพลตฟอร์มที่เหมาะสำหรับการศึกษากระบวนการสร้างข้อบกพร่องด้านทอพอโลยีที่ ระดับจุลทรรศน์ ในการศึกษาวัสดุควอนตัม ข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีไม่เพียงแต่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิที่ลดลงเท่านั้น แต่ยังเกิดข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีชั่วคราวได้ด้วยการกระตุ้นลำแสงเฟมโตวินาที และข้อบกพร่องเหล่านี้มักกระตุ้นให้เกิดคุณสมบัติหรือการเปลี่ยนเฟสที่ไม่มีอยู่ในสมดุล เช่น แสง- เหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสของฉนวน-โลหะและพฤติกรรมคล้ายตัวนำยิ่งยวด เช่นเดียวกับปัญหาของเส้นจักรวาล การก่อตัวของข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีที่เกิดจากภาพถ่ายแบบไดนามิกยังขาดการสังเกตเชิงทดลองในระดับจุลทรรศน์และมาตราส่วนเวลาสั้นมาก และยังไม่มีความเห็นพ้องต้องกันเกี่ยวกับเวลาที่แน่นอนที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยี
รูปที่ 1: การสร้างข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีที่เกิดจากเลเซอร์ Femtosecond
เพื่อให้สามารถศึกษากระบวนการก่อตัวของข้อบกพร่องเหล่านี้ได้ทั้งในระดับนาโนเมตรเชิงพื้นที่และมาตราส่วนเวลาของเฟมโตวินาที กลุ่มที่นำโดย Prof. Wizard of the School of Physics and Astronomy/Zhangjiang Institute of Advanced Studies และ Academician Jie Zhang จากโรงเรียนฟิสิกส์และดาราศาสตร์/สถาบันวิจัย Li Zhendao ที่มหาวิทยาลัย Shanghai Jiao Tong ได้ร่วมมือกับนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเซี่ยงไฮ้ (SUSTech) มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และลอสแอนเจลิส ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven (BNL) ) และมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม (UA) ในความร่วมมือกับนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ และลอสแอนเจลิส ห้องปฏิบัติการแห่งชาติบรูคเฮเวน และมหาวิทยาลัยอัมสเตอร์ดัม กลุ่มนี้ได้ใช้ระบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนความเร็วสูงพิเศษขนาดเมกะโวลต์ที่พัฒนาขึ้นอย่างอิสระโดยได้รับการสนับสนุนจากโครงการเครื่องมือวิจัยแห่งชาติของ มูลนิธิจีนเพื่อวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (CNRI) และได้สังเกตแบบเรียลไทม์และในระดับอะตอม พลวัตของการก่อตัวของข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีในวัสดุคลื่นความหนาแน่นประจุ 1T-TiSe2 ภายใต้การกระตุ้นด้วยแสง (รูปที่ 1) งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้ในวารสาร Nature Physics ภายใต้หัวข้อ "การก่อตัวอย่างรวดเร็วของข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีในคลื่นความหนาแน่นประจุ 2 มิติ"
การทดลองนี้แตกต่างจากการถ่ายภาพโดยตรงของข้อบกพร่องในอวกาศ การทดลองนี้ใช้การเลี้ยวเบนเพื่อให้ได้ข้อมูลโครงสร้างของข้อบกพร่อง เนื่องจากโครงสร้างข้อบกพร่องที่แตกต่างกันจะก่อให้เกิดลายนิ้วมือของการเลี้ยวเบนที่แตกต่างกันในพื้นที่ผกผัน (รูปที่ 2) หลังจากวิเคราะห์และจำลองจุดสูงสุดของการเลี้ยวเบนตลอดจนสัญญาณการกระเจิงแบบกระจาย ทีมวิจัยสามารถถอดรหัสกระบวนการไดนามิกของโครงสร้างวัสดุและข้อบกพร่องเชิงทอพอโลยีหลังการกระตุ้นด้วยแสงได้สำเร็จ
ภาพที่ 2: การแสดงแผนผังของข้อมูลจุดเลี้ยวเบนที่สอดคล้องกับการกระจายตัวของโครงสร้างต่างๆ
การทดลองได้ดำเนินการกับวัสดุควอนตัม 2 มิติ 1T-TiSe2 ซึ่งผ่านการเปลี่ยนเฟสความหนาแน่นของประจุ (CDW) ใกล้ 200 K ทีมงานพบว่าในการทดลองที่ผ่านมาว่าโครงสร้างของ CDW ในบางชั้นสามารถควบคุมได้ใน ลักษณะที่เป็นระเบียบเรียบร้อยด้วยเลเซอร์ femtosecond แบบอ่อนทำให้เกิดการผกผันของชั้นทั้งหมดเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 200 K ส่งผลให้โดเมนที่มีสถานะอิเล็กทรอนิกส์ 2D สามารถเกิดขึ้นได้ที่อินเทอร์เฟซของ CDW ดั้งเดิมและ CDW ของ Inverted ชั้น. ผนังโดเมนที่มีสถานะอิเล็กทรอนิกส์สองมิติ [ธรรมชาติ 595,239(2021)] เนื่องจากความหนาแน่นพลังงานของปั๊มเลเซอร์ยังคงเพิ่มขึ้น จำนวนชั้น CDW ที่อยู่ภายใต้พฤติกรรมการผกผันของโครงสร้างจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น และ CDW สามมิติจะถูกเปลี่ยนเป็น CDW สองมิติอย่างสมบูรณ์โดยไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างชั้นต่างๆ [Nature Communications 13, 963 (2022)].
ในการศึกษานี้ ทีมงานเลือกอุณหภูมิที่วัดได้สูงกว่า 200 K ซึ่งเป็นสถานะที่มี CDW 2D ในระนาบเท่านั้นใน 1T-TiSe2 ด้วยการวิเคราะห์สัญญาณการกระเจิงแบบกระจายในจุดเลี้ยวเบน ซึ่งอ่อนกว่าสัญญาณจุดสูงสุดของ Bragg ทั่วไปประมาณ 1,000 เท่า (รูปที่ 3) ทีมงานพบว่า CDW สองมิติภายในด้านยังผ่านกระบวนการผกผันที่คล้ายกันกับทั้งสาม - มิติ CDW กล่าวคือ มีการผกผัน CDW แบบเกลียวเดี่ยวภายในด้าน และกระบวนการผกผันนี้ทำให้เกิดการก่อตัวของผนังโดเมนหนึ่งมิติ กล่าวคือ ข้อบกพร่องทอพอโลยีแบบหนึ่งมิติ ภายในเลเยอร์ (ดูแผนผังใน มุมซ้ายล่างของรูปที่ 2)
ต้องขอบคุณความละเอียดชั่วคราวที่สูงเป็นพิเศษและอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของระบบ ในขณะที่วัดผนังโดเมน 1D กลุ่มยังพบว่ามาตราส่วนเวลาเดียวกันของการก่อตัวของข้อบกพร่องนั้นมาพร้อมกับสัญญาณการกระจายแบบกระจายบางส่วนที่มีการแจกแจงแบบพิเศษใน พื้นที่ผกผัน เมื่อรวมกับการจำลองทางทฤษฎีของสัญญาณกระเจิงกระจายและพลวัตที่เกี่ยวข้อง ทีมงานพบว่าสัญญาณเหล่านี้มาจากโฟตอนอะคูสติกตามยาวที่เกิดจากการกระตุ้นด้วยแสง และโฟนันอะคูสติกตามยาวเหล่านี้เป็นปัจจัยกระตุ้นสำหรับการก่อตัวของข้อบกพร่องผนังโดเมนโซ่ที่กล่าวถึงข้างต้น .
งานนี้แสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกที่กระบวนการสร้างข้อบกพร่องในระดับเวลาต่ำกว่าพิโควินาทีและบทบาทสำคัญของการสั่นสะเทือนของตาข่ายในกระบวนการ ซึ่งจะให้ข้อมูลที่สำคัญสำหรับความเข้าใจในอนาคตเกี่ยวกับธรรมชาติของสสารที่ไม่สมดุลและบทบาทของทอพอโลยี ข้อบกพร่อง และวิธีการวิเคราะห์โฟนอนไดนามิกส์ยังช่วยให้เข้าใจกลไกการแปลงพลังงานในวัสดุควอนตัม วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก และวัสดุพลังงานใหม่อื่นๆ อีกด้วย
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติของจีน (หมายเลข 2021YFA1400202), มูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของจีน (NNSFC) (หมายเลข 11925505, 12005132, 11504232 และ 11721091) โครงการสำคัญของคณะกรรมการเทศบาลเซี่ยงไฮ้ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (หมายเลข 16DZ2260200), กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NSF) มูลนิธิ (สสส.) ดร. Yun Cheng (สำเร็จการศึกษา) จาก Shanghai Jiaotong University และ Dr. Alfred Zong, Miller Fellow จาก University of California, Berkeley (เร็วๆ นี้จะเป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ที่ Stanford University) เป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของบทความนี้
