研究人員發現光致相位躍遷中拓撲缺陷的存在
[據物理學組織網站2018年10月15日報道]近日，研究人員對普通材料進行相變的方法進行了詳細的研究，例如熔化或凝固。研究人員已經觀察到，當他們使用強脈衝鐳射觸發相位變化時，發生相變的過程與改變溫度觸發相變的過程完全不同。
長期以來，科學家們一直懷疑這個可能存在的事實，但直到現在，這個過程還沒有被觀察和確認。有了這種新的認識，研究人員就可以利用這種機制在新型的光電裝置中使用。
這項特殊的發現發表在Journal Nature Physics上。該小組由麻省理工學院的物理學教授Nuh Gedik領導，團隊包括他的的研究生Alfred Zong、博士後Anshul Kogar及來自於麻省理工學院、斯坦福大學和俄羅斯的斯科爾科沃科學技術學院（Skoltech）的16位研究人員。
在這項研究中，研究小組並沒有使用像冰這樣的真實晶體，而是使用了一種叫做電荷密度波的電子模擬裝置，這種模擬與晶體固體的特徵非常相似。
儘管像冰一樣的典型融化行為是以一種相對均勻的方式進行的，但當由超快鐳射脈衝所引起的電荷密度波融化時，這個過程卻有很大的不同。研究人員發現，在光學誘導的熔融過程中，相變是通過在材料中產生許多奇異點來進行的，這些奇異點被稱為拓撲缺陷，而這些奇異點又反過來影響材料中電子和晶格原子的動力。
Gedik解釋說，這些拓撲缺陷類似於水等液體中產生的微小漩渦，或渦流。觀察這個獨特的融化過程的關鍵是使用一套極其高速和精確的測量技術來捕捉這個過程。
快速鐳射脈衝，脈衝時間小於皮秒（一萬億萬分之一秒），模擬了發生的快速相位變化。快速相變的一個典型例子是淬火—比如突然把一塊半熔的熾熱的鐵放入水中，幾乎立刻就能冷卻下來。這個過程不同於材料在逐漸加熱或冷卻過程中發生的變化，因為那樣會有足夠的時間在溫度變化的每個階段都達到平衡—也就是說，在整個過程中達到均勻的溫度。
Gedik說，雖然這些光學誘發的相變已經被觀察到，但它們的確切機理尚不清楚。
該團隊使用了三種技術，即超快電子衍射、瞬態反射率、時角分辨光電發射光譜，同時觀察鐳射脈衝的響應。在他們的研究中，他們使用了一種鑭和碲的化合物-LaTe3，這是典型的的電荷密度波的材料。同時，當電子和原子對脈衝做出響應時，這些儀器使我們能夠追蹤到材料中電子和原子的運動。
在實驗中，Gedik說：“當電荷密度波正在融化時，我們可以觀察到電子和原子的運動”，然後繼續觀察，有序的結構將重新凝固。這使研究人員能夠清楚地觀察和確認渦流式的拓撲缺陷的存在。
他們還發現重新固化及缺陷分解的時間不是均勻的，而是在多個時間尺度上發生的。電荷密度波的強度或振幅的恢復速度比晶格的有序度要快得多。只有在研究中使用時間分辨技術，這種觀察才有可能實現，每個技術都提供了一個獨特的視角。