[논문 리뷰] Nonequilibrium dynamics of spontaneous symmetry breaking into a hidden state of charge-density wave

Faran Zhou, Joseph Williams외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 15.

Organic and Molecular Conductors Research참고 문헌 49인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 초단파장 레이저 펄스를 이용해 전하 밀도 파동 시스템에서 비평형 대칭 붕괴를 조사한다. 레이저 펄스에 의해 스트립 상에서 열역학적으로 금지된 체크무늬 상태로 쿨링하는 과정에서, 100 fs 해상도의 공명 전자 회절을 통해 약 1 ps의 소프트 모드 역학과 비에르고딕 행동을 관찰하였으며, 이는 토폴로지적 결함을 안정화시켜 1 ns 이상 지속되는 특수한 성질을 가진 숨겨진 상태를 고정시킨다. 이는 평형에서 벗어난 상태에서 양자 상을 제어하는 데 성공한 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 광학 자극에 의해 유도되는 양자 물질 내 비평형 상전이를 탐구하기 위해.
• 열역학적으로 금지된 체크패턴 전하 밀도 파동 상태의 형성 역학을 조사하기 위해.
• 비에르고딕 행동과 토폴로지적 결함이 평형에서 벗어난 상을 어떻게 안정화시키는지 이해하기 위해.
• 상관 전자 시스템에서 대칭 붕괴 역학을 100 fs 이내의 시간 해상도로 추적하기 위해.

제안 방법

• 초단파장이고 강한 레이저 펄스를 사용하여 전하 밀도 파동 시스템을 스트립 상에서 비평형 상태로 쿨링하였다.
• 약 100 fs 시간 해상도를 가진 공명 전자 회절을 활용하여 실시간 구조 역학을 탐측하였다.
• 대칭 붕괴를 매개하는 소프트 모드의 역학을 약 1 ps 시간 스케일에서 추적하였다.
• 임시 질서 매개변수와 토폴로지적 결함의 진화를 분석하여 비에르고딕 행동을 규명하였다.
• 재결합체 냉각 역학을 모니터링하여 이들이 임시 질서의 정지에 어떤 역할을 하는지 평가하였다.
• 최종 상태의 특성을 분석하여 1 ns 이상 지속되는 새로운 성질의 존재 여부를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쿼치 이후 소프트 모드가 어떻게 자발적 대칭 붕괴를 통해 숨겨진 전하 밀도 파동 상태로 이어지는가?
• RQ2 비에르고딕 행동이 상관 전자 시스템에서 비평형 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 초고속 자극 이후 토폴로지적 결함은 어떻게 형성되고 최종 상태에서 어떻게 지속되는가?
• RQ4 열화의 시간 스케일은 어떻게 되며, 이는 임시 질서의 안정화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 열역학적으로 금지된 전하 밀도 파동 상태는 초고속 전자 회절을 통해 안정화되고 관측될 수 있는가?

주요 결과

• 스트립 상에서 체크패턴 전하 밀도 파동 상태로의 대칭 붕괴는 약 1 ps의 시간 스케일에서 발생하며, 이는 소프트 모드 역학에 의해 주도된다.
• 대칭 붕괴 근처에서 비에르고딕 행동이 관찰되었으며, 이는 숨겨진 상태의 안정화에 필수적이다.
• 재결합체 냉각으로 인해 토폴로지적 결함이 최종 상태에서 고정되어 특수한 성질을 가진 장수 상태가 형성된다.
• 숨겨진 상태는 1 ns 이상 지속되며, 열역학적으로 금지된 상태임에도 불구하고 강력한 안정성을 보인다.
• 숨겨진 상태의 형성은 쿨링 이후 자동으로 펼쳐지는 공명 소프트 모드에 의해 매개된다.
• 약 100 fs 해상도의 초고속 전자 회절은 상전이 전체 과정과 결함 형성 과정을 성공적으로 캡처하였다.