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研究人员发现光致相位跃迁中拓扑缺陷的存在
2018-10-17


[据物理学组织网站20181015日报道]近日,研究人员对普通材料进行相变的方法进行了详细的研究,例如熔化或凝固。研究人员已经观察到,当他们使用强脉冲激光触发相位变化时,发生相变的过程与改变温度触发相变的过程完全不同。



长期以来,科学家们一直怀疑这个可能存在的事实,但直到现在,这个过程还没有被观察和确认。有了这种新的认识,研究人员就可以利用这种机制在新型的光电设备中使用。



这项特殊的发现发表在Journal Nature Physics上。该小组由麻省理工学院的物理学教授Nuh Gedik领导,团队包括他的的研究生Alfred Zong、博士后Anshul Kogar及来自于麻省理工学院、斯坦福大学和俄罗斯的斯科尔科沃科学技术学院(Skoltech)的16位研究人员。



在这项研究中,研究小组并没有使用像冰这样的真实晶体,而是使用了一种叫做电荷密度波的电子模拟装置,这种模拟与晶体固体的特征非常相似。



尽管像冰一样的典型融化行为是以一种相对均匀的方式进行的,但当由超快激光脉冲所引起的电荷密度波融化时,这个过程却有很大的不同。研究人员发现,在光学诱导的熔融过程中,相变是通过在材料中产生许多奇异点来进行的,这些奇异点被称为拓扑缺陷,而这些奇异点又反过来影响材料中电子和晶格原子的动力。



Gedik解释说,这些拓扑缺陷类似于水等液体中产生的微小漩涡,或涡流。观察这个独特的融化过程的关键是使用一套极其高速和精确的测量技术来捕捉这个过程。



快速激光脉冲,脉冲时间小于皮秒(一万亿分之一秒),模拟了发生的快速相位变化。快速相变的一个典型例子是淬火比如突然把一块半熔的炽热的铁放入水中,几乎立刻就能冷却下来。这个过程不同于材料在逐渐加热或冷却过程中发生的变化,因为那样会有足够的时间在温度变化的每个阶段都达到平衡也就是说,在整个过程中达到均匀的温度。



Gedik说,虽然这些光学诱发的相变已经被观察到,但它们的确切机理尚不清楚。



该团队使用了三种技术,即超快电子衍射、瞬态反射率时角分辨光电发射光谱,同时观察激光脉冲的响应。在他们的研究中,他们使用了一种镧和的化合物-LaTe3,这是典型的的电荷密度波的材料。同时,当电子和原子对脉冲做出响应时,这些仪器使我们能够追踪到材料中电子和原子的运动。



在实验中,Gedik说:当电荷密度波正在融化时,我们可以观察到电子和原子的运动,然后继续观察,有序的结构将重新凝固。这使研究人员能够清楚地观察和确认涡流式的拓扑缺陷的存在。



他们还发现重新固化及缺陷分解的时间不是均匀的,而是在多个时间尺度上发生的。电荷密度波的强度或振幅的恢复速度比晶格的有序度要快得多。只有在研究中使用时间分辨技术,这种观察才有可能实现,每个技术都提供了一个独特的视角。



Alfred Zong表示,研究的下一步将是试图确定他们如何以可控的方式设计这些缺陷。这可能会被用作数据存储系统,使用这些光脉冲将缺陷写入系统,然后再用另一个脉冲来擦除它们。(工业和信息化部电子第一研究所  李茜楠)



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