चरण संक्रमण प्रक्रिया में टोपोलॉजिकल दोष महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। प्रारंभिक ब्रह्मांड निर्माण के सिद्धांत को एक उदाहरण के रूप में लेते हुए, बिग बैंग के बाद, ब्रह्मांड तेजी से ठंडा हो गया, जिससे सहज चरण संक्रमणों की एक श्रृंखला शुरू हो गई। टॉम किबल जैसे सैद्धांतिक भौतिकविदों ने प्रस्तावित किया है कि गिरते तापमान पर इन चरण संक्रमणों के साथ-साथ टोपोलॉजिकल दोष उत्पन्न होंगे, और इन दोषों को ब्रह्मांडीय स्ट्रिंग्स के रूप में जाना जाता है। चूँकि वर्तमान प्रयोगात्मक साधनों द्वारा ब्रह्मांडीय तारों की निर्माण प्रक्रिया का प्रत्यक्ष रूप से निरीक्षण करना अभी भी मुश्किल है, लोग टोपोलॉजिकल दोषों का अध्ययन करने के लिए अन्य प्रणालियों के उपयोग की भी खोज कर रहे हैं, और क्वांटम सामग्री टोपोलॉजिकल दोषों की निर्माण प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए एक आदर्श मंच प्रदान करती है। सूक्ष्म स्तर. क्वांटम सामग्रियों के अध्ययन में, टोपोलॉजिकल दोष न केवल तापमान में गिरावट से उत्पन्न होते हैं, बल्कि क्षणिक टोपोलॉजिकल दोष फेमटोसेकंड बीम उत्तेजना द्वारा भी उत्पन्न हो सकते हैं, और ये दोष अक्सर ऐसे गुणों या चरण संक्रमणों को प्रेरित करते हैं जो संतुलन में मौजूद नहीं होते हैं, जैसे कि प्रकाश- प्रेरित इन्सुलेटर-धातु चरण संक्रमण और सुपरकंडक्टिंग-जैसा व्यवहार। कॉस्मिक स्ट्रिंग्स की समस्या के समान, फोटो-प्रेरित टोपोलॉजिकल दोषों के गतिशील गठन में सूक्ष्म पैमाने और अल्ट्राशॉर्ट टाइम स्केल पर प्रयोगात्मक टिप्पणियों का अभाव है, और टोपोलॉजिकल दोष गठन के लिए आवश्यक सटीक समय पर आम सहमति की कमी है।
छवि चित्र 1: टोपोलॉजिकल दोषों की फेमटोसेकंड लेजर-प्रेरित पीढ़ी
नैनोमीटर के स्थानिक पैमाने और फेमटोसेकंड के समय पैमाने दोनों पर इन दोषों की गठन प्रक्रिया का अध्ययन करने में सक्षम होने के लिए, स्कूल ऑफ फिजिक्स एंड एस्ट्रोनॉमी/झांगजियांग इंस्टीट्यूट ऑफ एडवांस्ड स्टडीज के प्रोफेसर विज़ार्ड और शिक्षाविद जी के नेतृत्व में एक समूह शंघाई जिओ टोंग विश्वविद्यालय में स्कूल ऑफ फिजिक्स एंड एस्ट्रोनॉमी/ली झेंडाओ रिसर्च इंस्टीट्यूट के झांग ने हाल ही में शंघाई यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (एसयूएसटेक), कैलिफोर्निया, बर्कले और लॉस एंजिल्स विश्वविद्यालयों, ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी (बीएनएल) के शोधकर्ताओं के साथ सहयोग किया। ), और एम्स्टर्डम विश्वविद्यालय (यूए)। कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले और लॉस एंजिल्स, ब्रुकहेवन नेशनल लेबोरेटरी और एम्स्टर्डम विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं के सहयोग से, समूह ने नेशनल रिसर्च इंस्ट्रुमेंटेशन प्रोग्राम के समर्थन से स्वतंत्र रूप से विकसित एक मेगा-वोल्ट अल्ट्राफास्ट इलेक्ट्रॉन विवर्तन प्रणाली का उपयोग किया है। चाइना फाउंडेशन फॉर साइंस एंड टेक्नोलॉजी (CNRI), और वास्तविक समय में और परमाणु पैमाने पर, ऑप्टिकल उत्तेजना (छवि 1) के तहत चार्ज-घनत्व-तरंग सामग्री 1T-TiSe2 में टोपोलॉजिकल दोष गठन की गतिशीलता देखी है। यह कार्य हाल ही में नेचर फिजिक्स में "2डी चार्ज डेंसिटी वेव में टोपोलॉजिकल दोषों का अल्ट्राफास्ट गठन" शीर्षक के तहत प्रकाशित किया गया था।
वास्तविक स्थान में दोषों की प्रत्यक्ष इमेजिंग के विपरीत, यह प्रयोग दोषों की संरचनात्मक जानकारी प्राप्त करने के लिए विवर्तन का उपयोग करता है, क्योंकि विभिन्न दोष संरचनाएं विपरीत स्थान में अलग-अलग विवर्तन फिंगरप्रिंट बनाती हैं (चित्र 2)। विवर्तन चोटियों के साथ-साथ फैले हुए बिखरने वाले संकेतों का विश्लेषण और अनुकरण करने के बाद, अनुसंधान टीम ने प्रकाश उत्तेजना के बाद सामग्री संरचना और टोपोलॉजिकल दोषों की गतिशील प्रक्रिया को सफलतापूर्वक डिकोड किया।
छवि 2: विभिन्न संरचना वितरणों के अनुरूप विवर्तन स्थान जानकारी का योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व
प्रयोग 2डी क्वांटम सामग्री 1T-TiSe2 पर आयोजित किए गए थे, जो 200 K के करीब चार्ज घनत्व तरंग (CDW) चरण संक्रमण से गुजरता है। टीम ने पिछले प्रयोगों में पाया कि कुछ परतों में CDW की संरचना को नियंत्रित किया जा सकता है। तापमान 200 K से नीचे होने पर पूरी परत को उलटने के लिए कमजोर फेमटोसेकंड लेजर द्वारा व्यवस्थित तरीके से उपयोग किया जाता है। परिणामस्वरूप, मूल CDW और उल्टे CDW के इंटरफेस पर 2D इलेक्ट्रॉनिक स्थिति वाला एक डोमेन बनाया जा सकता है। परत। द्वि-आयामी इलेक्ट्रॉनिक अवस्थाओं वाली डोमेन दीवार [प्रकृति 595,239(2021)]। जैसे-जैसे पंप लेजर का ऊर्जा घनत्व बढ़ता जा रहा है, संरचनात्मक व्युत्क्रमण व्यवहार से गुजरने वाली सीडीडब्ल्यू परतों की संख्या धीरे-धीरे बढ़ती है, और त्रि-आयामी सीडीडब्ल्यू पूरी तरह से दो-आयामी सीडीडब्ल्यू में बदल जाती है, जिसमें परतों के बीच कोई संबंध नहीं होता है [नेचर कम्युनिकेशंस 13, 963 (2022)]।
इस अध्ययन में, टीम ने माप तापमान 200 K से ऊपर चुना, जो वह स्थिति है जिसमें केवल इन-प्लेन 2D CDW 1T-TiSe2 में मौजूद है। विवर्तन स्थान में फैले हुए बिखरने वाले सिग्नल का विश्लेषण करके, जो पारंपरिक ब्रैग पीक सिग्नल (चित्र 3) से लगभग 1000 गुना कमजोर है, टीम ने पाया कि पहलू के भीतर दो-आयामी सीडीडब्ल्यू भी तीन के समान व्युत्क्रम प्रक्रिया से गुजरता है। -आयामी सीडीडब्ल्यू, यानी, पहलू के भीतर एक एकल-फंसे सीडीडब्ल्यू उलटा मौजूद है, और यह उलटा प्रक्रिया परत के भीतर एक-आयामी डोमेन दीवार, यानी, एक-आयामी टोपोलॉजिकल दोष के गठन को प्रेरित करती है (योजनाबद्ध आरेख देखें) चित्र 2 का निचला बायां कोना)।
सिस्टम के अल्ट्रा-हाई टेम्पोरल रिज़ॉल्यूशन और सिग्नल-टू-शोर अनुपात के लिए धन्यवाद, 1 डी डोमेन दीवारों को मापते समय, समूह ने यह भी पाया कि दोष गठन का एक ही समय का पैमाना विशेष वितरण के साथ कुछ फैलाने वाले बिखरने वाले संकेतों के साथ होता है। उलटा स्थान. विसरित बिखरने वाले संकेतों और संबंधित गतिशीलता के सैद्धांतिक सिमुलेशन के साथ, टीम ने पाया कि ये संकेत ऑप्टिकल उत्तेजना द्वारा उत्पन्न अनुदैर्ध्य ध्वनिक फोनन से आते हैं, और ये अनुदैर्ध्य ध्वनिक फोनन ऊपर उल्लिखित श्रृंखला डोमेन दीवार दोषों के गठन के लिए ट्रिगर कारक हैं। .
यह कार्य पहली बार सब-पिकोसेकंड टाइम स्केल में दोष निर्माण प्रक्रिया और प्रक्रिया में जाली कंपन की महत्वपूर्ण भूमिका को दर्शाता है, जो गैर-संतुलन पदार्थ की प्रकृति और टोपोलॉजिकल की भूमिका की भविष्य की समझ के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करेगा। दोष, और फोनन डायनेमिक्स विश्लेषण विधि क्वांटम सामग्री, थर्मोइलेक्ट्रिक सामग्री और अन्य नई ऊर्जा सामग्री में ऊर्जा रूपांतरण तंत्र को और समझने में भी मदद कर सकती है।
इस कार्य को चीन के राष्ट्रीय प्रमुख अनुसंधान और विकास कार्यक्रम (नंबर 2021YFA1400202), चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन (एनएनएसएफसी) (नंबर 11925505, 12005132, 11504232 और 11721091), शंघाई नगर आयोग के प्रमुख कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया था। विज्ञान और प्रौद्योगिकी (नंबर 16DZ2260200), अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) और अमेरिकी राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (एनएसएफ)। फाउंडेशन (एनएसएफ)। शंघाई जियाओतोंग विश्वविद्यालय से डॉ. यूं चेंग (स्नातक) और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले में मिलर फेलो डॉ. अल्फ्रेड ज़ोंग (जल्द ही स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय में सहायक प्रोफेसर होंगे) लेख के सह-प्रथम लेखक हैं।
