[論文レビュー] Nonequilibrium dynamics of spontaneous symmetry breaking into a hidden state of charge-density wave

Faran Zhou, Joseph Williams+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2019

Organic and Molecular Conductors Research参考文献 49被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、超短パルスレーザーを用いてストライプ相から熱力学的に禁じられたチェッカーボード状態へと断熱的クエンチを施すことで、電荷密度波系における非平衡対称性の破れを調査した。100 fs分解能のコherentlyな電子回折を用いて、約1 psのソフトモードダイナミクスと非エルゴード的挙動を観測し、トポロジカルな欠陥が安定化され、1ナノ秒以上にわたり特徴的な性質を示す隠れた状態が固定されるのを確認した。これは、非平衡状態で量子相を制御できることを示している。

ABSTRACT

Nonequilibrium phase transition plays a pivotal role in a broad physical context from condensed matter to cosmology. Tracking the formation of non-equilibrium phases in condensed matter is challenging and requires a resolution of the long-range cooperativity on ultra-short timescales. Here, we study the spontaneous symmetry breaking transformation of a charge-density wave system from a stripe phase into a checkerboard state. Such a state is thermodynamically forbidden, but is introduced through a system quench using ultrashort, intense laser pulses. The dynamics is mediated by the soft modes that unfold spontaneously and order the field on a timescale ~1 ps. Using the coherent electron diffraction with ~100 fs resolution, we capture the entire course and demonstrate nonergodic behavior proximal to symmetry breaking that is crucial for stabilizing the hidden states. Remarkably, the thermalization due to carriers cooling arrests the remnants of the transient orders into the topological defects in the eventual state with distinct new properties that last for more than 1 ns. The fundamental dynamics observed here opens an intriguing perspective of controlling phase transitions in quantum materials far from equilibrium.

研究の動機と目的

• 超高速光励起によって駆動される量子材料における非平衡相転移を調査すること。
• 熱力学的に禁じられたチェッカーボード状電荷密度波状態の形成ダイナミクスを調査すること。
• 非エルゴード的挙動とトポロジカル欠陥が、非平衡状態を超える一時的相をどのように安定化させるかを理解すること。
• 相関電子系における対称性破れダイナミクスの追跡に、100 fs未満の時間分解能を達成すること。

提案手法

• 超短で強いレーザーパルスを用いて、電荷密度波系をストライプ相から非平衡状態へクエンチした。
• 約100 fsの時間分解能を持つコherentlyな電子回折を用いて、時間的に変化する構造的ダイナミクスをプローブした。
• 対称性破れを媒介するソフトモードのダイナミクスを、約1 psの時間スケールで追跡した。
• 一時的秩序パラメータとトポロジカル欠陥の進化を分析し、非エルゴード的挙動を同定した。
• キャリアの冷却ダイナミクスをモニタリングし、それが一時的秩序の停止に果たす役割を評価した。
• 最終状態の性質を特徴づけ、1ナノ秒を超えて新しい性質が持続するかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クエンチ後に、ソフトモードがどのようにして隠れた電荷密度波状態への自発的対称性破れを媒介するか？
• RQ2 非エルゴード的挙動が、相関電子系における非平衡相の安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 超高速励起後に、トポロジカル欠陥はどのように形成され、最終状態でどのようにして持続するのか？
• RQ4 熱化の時間スケールは何か、そして一時的秩序の安定化に及ぼす影響は？
• RQ5 熱力学的に禁じられた電荷密度波状態を、超高速電子回折を用いて安定化させ、観測することは可能か？

主な発見

• ストライプ相からチェッカーボード状電荷密度波状態への対称性破れは、約1 psの時間スケールで進行し、ソフトモードダイナミクスによって駆動される。
• 対称性破れに近接して非エルゴード的挙動が観測され、これが隠れた状態の安定化に不可欠である。
• キャリアの冷却によりトポロジカル欠陥が最終状態で固定され、特徴的な性質を示す長寿命状態が形成される。
• 隠れた状態は1ナノ秒以上にわたり持続し、熱力学的に禁じられているにもかかわらず、安定化が確認された。
• 隠れた状態の形成は、クエンチ後に自発的に展開するコherentlyなソフトモードによって媒介される。
• 約100 fs分解能の超高速電子回折により、相転移および欠陥形成の全過程が成功裏に捉えられた。