[論文レビュー] Terahertz-driven irreversible topological phase transition in two-dimensional MoTe$_{2}$

Jiaojian Shi, Ya‐Qing Bie+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 30被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、2次元MoTe₂における非可逆的で、テラヘルツ（THz）駆動の相転移を実証した。この相転移により、半導体的2H相からトポロジカル絶縁体に類似した1T′相に変化する。フィールド増幅によるキャリア解放と増幅が、10ナノ秒以内に相転移を誘発する。1ショット時間分解二次高調波生成（SHG）により、この相転移が10ナノ秒以内に発生することが確認され、THzベースの非平衡的相工学が実現可能となり、THzを用いた量子相パターニングの可能性が示された。

ABSTRACT

Recent discoveries of broad classes of quantum materials have spurred fundamental study of what quantum phases can be reached and stabilized, and have suggested intriguing practical applications based on control over transitions between quantum phases with different electrical, magnetic, and$/$or optical properties. Tabletop generation of strong terahertz (THz) light fields has set the stage for dramatic advances in our ability to drive quantum materials into novel states that do not exist as equilibrium phases. However, THz-driven irreversible phase transitions are still unexplored. Large and doping-tunable energy barriers between multiple phases in two-dimensional transition metal dichalcogenides (2D TMDs) provide a testbed for THz polymorph engineering. Here we report experimental demonstration of an irreversible phase transition in 2D MoTe$_{2}$ from a semiconducting hexagonal phase (2H) to a predicted topological insulator distorted octahedral ($1T^{'}$) phase induced by field-enhanced terahertz pulses. This is achieved by THz field-induced carrier liberation and multiplication processes that result in a transient high carrier density that favors the $1T^{'}$ phase. Single-shot time-resolved second harmonic generation (SHG) measurements following THz excitation reveal that the transition out of the 2H phase occurs within 10 ns. This observation opens up new possibilities of THz-based phase patterning and has implications for ultrafast THz control over quantum phases in two-dimensional materials.

研究の動機と目的

• 強いテラヘルツ場を用いて、量子材料における非平衡的・非可逆的相転移を探索すること。
• 2次元遷移金属ジ chalcogenidesにおける非平衡的トポロジカル相の安定化可能性を調査すること。
• 競合する相間のエネルギー障壁を克服することで、MoTe₂における超高速でフィールド誘発相工学を実証すること。
• 2次元材料における量子相のTHzベース制御のためのプラットフォームを確立すること。

提案手法

• テーブルトップ型でフィールド増幅されたテラヘルツパルスを用い、剥離された2次元MoTe₂フラクスにおける非平衡的相転移を駆動した。
• 1ショット時間分解二次高調波生成（SHG）を用いて、THz励起後の超高速な構造的および対称性変化をプローブした。
• 2次元TMDsに見られる大規模でドーピング調整可能なエネルギー障壁を活用し、THz励起後に一時的な1T′相を安定化させた。
• 高場励起下でのキャリア動態をモニタリングし、1T′相を優位にするフィールド増幅キャリア解放および増幅プロセスを分析した。
• THzパルス励起後の可変遅延におけるSHG強度の時間変化を測定することで、相転移キネティクスを解析した。
• トポロジカル表面状態を有すると予測される2H→1T′転移に焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いテラヘルツ場は、2次元MoTe₂の2H相から1T′相への非可逆的相転移を誘発できるか？
• RQ2 THz駆動相転移の時間スケールは何か？ 1ショット時間分解SHGで解像可能か？
• RQ3 フィールド増幅キャリアダイナミクスは、非平衡的性質を有する1T′相の安定化をどの程度促進するか？
• RQ4 THzパルスによって誘発される一時的な高キャリア密度が、相間のエネルギー障壁を克服できるか？
• RQ5 トポロジカル絶縁体と予測される1T′相は、非平衡的THz励起下で安定化されるか？

主な発見

• 強いテラヘルツパルスを用いた2次元MoTe₂における2H→1T′相転移が実験的に実現され、非可逆的変化が示された。
• 1ショット時間分解二次高調波生成測定により、相転移が10ナノ秒以内に発生したことが解明された。
• フィールド増幅キャリア解放および増幅プロセスにより一時的な高キャリア密度が生成され、2H相よりも1T′相が優位になった。
• THz励起後に1T′相が安定化したため、非平衡的かつ非可逆的相転移であることが示された。
• 本研究は、2次元材料におけるトポロジカル量子相の超高速THz駆動工学の道筋を確立した。
• 本研究は、制御された非平衡励起を用いた、2次元材料における量子相のTHzベースパターニングの可能性を明らかにした。