[論文レビュー] Dual vortex charge order in a metastable state created by an ultrafast topological transition in 1T-TaS$_{2}$

Yaroslav A. Gerasimenko, Igor Vaskivskyi+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2017

Force Microscopy Techniques and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒レーザーパルスによって誘発された1T-TaS₂における準安定金属的状態が、非平衡なトポロジカル遷移を引き起こし、二重スケールの電荷秩序を生成することを明らかにした。その中で、約70 nmのスケールでキラルなヴォルテックス構造が形成され、約5 nmのスケールで束縛されたヴォルテックス-反ヴォルテックス対と不整合性を伴う構造が観測された。この現象は、非平衡状態におけるネストされたフェルミ面電子の干渉に起因し、超速冷却によって長寿命で複雑な電荷秩序状態を設計的に制御する道筋を示唆している。

ABSTRACT

Many body systems in complex materials undergoing non-equilibrium phase transitions may self-organise into ordered metastable emergent states with new and unexpected functionalities. Here, using large-area scanning tunneling microscopy we reveal an intricate chiral vortex structure and complex tiling of charged electron domains in the metastable metallic state in 1T-TaS$_2$ created by a non-equilibrium topological transition initiated by a single femtosecond optical pulse. A Moir\'e analysis shows that the interference of non-equilibrium nested Fermi surface (FS) electrons leads to the creation of charge vortices $\vec{\cal{D}}$ on a length scale of $\sim$70 nm. On a much smaller scale of $\sim5$ nm, domain configurational patterns appear, which show bound vortex-antivortex pairs, discommensurations, domain wall (DW) crossings and DW kinks, consistent with a rapidly quenched Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) - transition. Revealing the detailed mechanism for the transition leads the way to design of long-range charge-ordered metastable states with intricate emergent properties under controlled non-equilibrium conditions.

研究の動機と目的

• 超速光励起によって誘発される非平衡状態における1T-TaS₂における複雑な電荷秩序状態の出現を調査すること。
• 相関電子系におけるトポロジカル遷移に続く準安定電荷秩序の微視的起源を理解すること。
• 非平衡状態における電荷ヴォルテックスおよびドメイン境界の複数スケールでの空間的配置を同定すること。
• 非平衡フェルミ面ネストが、複雑な電荷秩序パターンの形成に果たす役割を明らかにすること。

提案手法

• 単一のフェムト秒光パルス後における1T-TaS₂の電荷秩序の空間的変化を、大面積走査トンネル顕微鏡（LT-STM）を用いて観察した。
• 非平衡状態におけるネストされたフェルミ面電子波の干渉パターンを抽出するためにモアレ解析を適用し、約70 nmスケールでの電荷ヴォルテックス形成を特定した。
• 高分解能イメージングにより、5 nm未満のドメイン構造、すなわち束縛されたヴォルテックス-反ヴォルテックス対、不整合性、ドメイン境界の交差構造およびねじれを解明した。
• ダイナミクスは、急速にクエンチされたベレジンスキー＝コスターリッツ（BKT）遷移の観点から解釈され、トポロジカルな欠損の結合を示唆した。
• 分析は、出現する秩序と平衡相を区別することに焦点を当て、超速クエンチングが準安定状態を安定化させる役割を強調した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザーパルスによって誘発された非平衡状態におけるトポロジカル遷移に続く1T-TaS₂の電荷秩序構造は、どのようなものか？
• RQ2 非平衡状態におけるネストされたフェルミ面電子は、約70 nmスケールでの電荷ヴォルテックス形成にどのように寄与するか？
• RQ3 5 nm未満のドメイン構造の性質は何か？ また、それらはトポロジカル欠損の結合とどのように関係しているか？
• RQ4 観察された準安定状態は、クエンチされたベレジンスキー＝コスターリッツ遷移として理解できるか？

主な発見

• 1T-TaS₂における準安定金属的状態は、非平衡状態におけるネストされたフェルミ面電子波の干渉によって駆動され、特徴的なスケールが約70 nmのキラルなヴォルテックス構造を示す。
• 5 nm未満のスケールでは、束縛されたヴォルテックス-反ヴォルテックス対、不整合性、ドメイン境界の交差、およびねじれ構造が観測され、トポロジカル欠損の結合を示している。
• 観察されたドメイン構造は、急速にクエンチされたベレジンスキー＝コスターリッツ（BKT）遷移と整合的であり、準安定状態のトポロジカル安定化を示唆している。
• マクロスケールのヴォルテックスとナノスケールのドメインテクスチャーという二重スケールの電荷秩序は、超速非平衡条件下で自己組織化し、複雑な発現状態を形成している。
• 本研究の結果は、超速光励起が、長寿命で複雑な電荷秩序状態を安定化できることを示しており、機能を設計可能な状態を創出する可能性を示している。