[論文レビュー] Long range electronic order in a metastable state created by ultrafast topological transformation

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

Laser-Ablation Synthesis of Nanoparticles被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超短パルスレーザーが遷移金属ジ chalcogenide において、既知のすべての相とは異なる長距離秩序を持つ準安定な電子状態を誘発できることを示している。超短パルス励起と軌道分解能を有する走査トンネル顕微鏡を用いて、熱力学的に非平衡に成立するがトポロジカルに異なる、調和的構造を持つ電子秩序が出現することが明らかになった。これにより、発現する量子状態のイン・サイト制御の道筋が開かれる。

ABSTRACT

The fundamental idea that many body systems in complex materials may self-organise into long range order under highly non-equilibrium conditions leads to the notion that entirely new emergent states with new and unexpected functionalities might be created. In this paper we show for the first time that a complex metastable state with long range order can be created through a non-equilibrium topological transformation in a transition metal dichalcogenide. Combining ultrafast optical pulse excitation with orbitally-resolved large-area scanning tunnelling microscopy we find subtle, but unambiguous evidence for long range electronic order which is different from all other known states in the system, and whose complex domain structure is not random, but is described by harmonics of the underlying charge density wave order. We show that the structure of the state is topologically distinct from the ground state, elucidating the origins of its remarkable metastability. These fundamental insights on the mechanism open the way to in-situ engineering of the emergent properties of metastable materials with ultrafast laser pulses.

研究の動機と目的

• 非平衡状態が複雑な量子材料において長距離電子秩序の形成を引き起こすかどうかを調査すること。
• 超短パルスレーザー励起によって誘発される遷移金属ジ chalcogenide における準安定電子状態を特定し、その特徴を明らかにすること。
• この新しい準安定状態のトポロジカルおよび構造的性質を同定し、平衡相との違いを明確にすること。
• この非平衡状態における準安定性および長距離秩序の背後にあるメカニズムを理解すること。
• 超短パルス光学制御を用いて、量子材料における発現的性質をイン・サイトで工学的に制御するためのフレームワークを確立すること。

提案手法

• 超短パルスレーザーを用いて材料を非平衡状態に励起し、トポロジカル変化を誘発する。
• 原子スケールの空間分解能を有する、軌道分解能を有する大面積走査トンネル顕微鏡（LT-STM）を用いて、電子構造をプローブする。
• 実験データを分析して長距離秩序を検出し、その対称性および調和的成分を同定する。
• トポロジカル不変量を計算して、準安定状態と基底状態を比較し、そのトポロジカルな相違を確認する。
• 時間的に逐次的に電子秩序の進化を追跡し、レーザー励起と新しい相の出現の相関関係を明らかにする。
• ドメイン構造をマッピングおよび分析し、基礎となる電荷密度波秩序に対して非ランダムで調和的なパターンを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短パルスレーザー励起は、平衡状態に存在しない遷移金属ジ chalcogenide における長距離秩序を持つ電子状態を誘発できるか？
• RQ2 新たに形成されたこの準安定状態のトポロジカル性質は何か？ また、基底状態とはどのように異なるか？
• RQ3 この準安定状態の複雑なドメイン構造は、基礎となる電荷密度波秩序とどのように関係しているか？
• RQ4 この非平衡状態における電子秩序の準安定性および持続性の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ5 このような状態の出現が、新しい量子機能を工学的に設計するためのプラットフォームとして利用可能か？

主な発見

• 超短パルスレーザー励起によって生成された準安定状態において、既知のすべての平衡相とは異なる長距離電子秩序が観測された。
• 電子秩序は、電荷密度波秩序に対して非ランダムで調和的なドメイン構造を示しており、秩序立てた、混沌とした構造ではない組織を示している。
• 準安定状態は基底状態とはトポロジカルに異なるため、非平衡状態であるにもかかわらず、顕著な安定性を示す理由が説明できる。
• 超短パルス励起がトポロジカル変化を誘発し、この新しい電子相の形成を引き起こす。
• 超短パルス励起と軌道分解能STMの組み合わせにより、非熱的・非平衡状態における長距離秩序の出現を直接的証明した。
• 本研究の結果は、超短パルスレーザー制御を用いて、複雑な物質における発現的量子性質をイン・サイトで工学的に制御する道筋を示している。