[논문 리뷰] Terahertz-driven irreversible topological phase transition in two-dimensional MoTe$_{2}$

Jiaojian Shi, Ya‐Qing Bie외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 30인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 두께가 얇은 MoTe₂에서 기계적 불가역적인 테라헤르츠(THz) 유도 상전이를 입증한다. 이 과정에서 반도체 성질을 띠는 2H 상에서 토폴로지적 절연체 유사 1T′ 상으로의 전환이 전자 빔 증폭 및 다량의 전자 생성을 통해 발생한다. 단일 스풍경 시간해상 분석 두차례 비선형 생성(SHG) 실험을 통해 전환이 10 ns 이내에 발생하는 것으로 확인되었으며, 이는 초고속 비평형 상 공학과 THz 기반 양자상 패턴링의 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강력한 테라헤르츠 필드를 이용해 양자물질에서 비평형, 기계적 불가역 상전이를 탐색하기.
• 2D 전이금속 디 chalcogenide에서 비평형 토폴로지 상을 안정화할 수 있는 가능성을 조사하기.
• 에너지 장벽이 존재하는 서로 다른 상들 사이에서, 필드 유도 상공학을 통해 MoTe₂에서 초고속 전환을 실현하기.
• 2차원 물질에서 THz 기반 양자상 제어를 위한 플랫폼을 구축하기.

제안 방법

• 표면에 있는 2D MoTe₂ 플레이크에서 비평형 상전이를 일으키기 위해 테이블탑, 전기장 증폭 테라헤르츠 펄스를 사용하였다.
• 테라헤르츠 자극 후 초고속 구조적 및 대칭 변화를 탐지하기 위해 단일 스풍경 시간해상 두차례 비선형 생성(SHG)을 활용하였다.
• 2D TMD에서 큰, 도핑 조절 가능한 에너지 장벽을 활용하여 테라헤르츠 자극 후 일시적인 1T′ 상을 안정화하였다.
• 고강도 필드 자극 하에서 1T′ 상을 유리하게 만들기 위해, 테라헤르츠 유도 전자 방출 및 다량 생성 과정을 통해 캐리어 역학을 모니터링하였다.
• 테라헤르츠 펄스 자극 후 다양한 지연 시간에 따른 SHG 강도 변화 측정을 통해 상전이 동역학을 분석하였다.
• 2H에서 1T′ 상으로의 전환이 예측되는 토폴로지 표면 상태를 지닌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강력한 테라헤르츠 필드가 2D MoTe₂에서 2H 상에서 1T′ 상으로의 기계적 불가역 상전이를 일으킬 수 있는가?
• RQ2 테라헤르츠 유도 상전이의 시간스케일은 무엇이며, 단일 스풍경 시간해상 SHG로 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ3 전기장 증폭된 캐리어 역학이 비평형 상태임에도 불구하고 1T′ 상의 안정화를 얼마나 유도하는가?
• RQ4 테라헤르츠 펄스에 의해 유도된 일시적인 고밀도 캐리어가 상 사이의 에너지 장벽을 극복할 수 있는가?
• RQ5 예측된 토폴로지 절연체인 1T′ 상이 비평형 테라헤르츠 자극 하에서 안정화되는가?

주요 결과

• 강력한 테라헤르츠 펄스를 통해 2D MoTe₂에서 2H에서 1T′ 상으로의 전환이 실험적으로 실현되었으며, 기계적 불가역 전환이 입증되었다.
• 단일 스풍경 시간해상 두차례 비선형 생성(SHG) 측정을 통해 전환이 10 나노초 이내에 발생한 것으로 확인되었다.
• 전기장 증폭된 전자 방출 및 다량 생성 과정이 일시적인 고밀도 캐리어를 생성하여 1T′ 상이 2H 상보다 유리하게 되었다.
• 테라헤르츠 자극 후 1T′ 상이 안정화되었으며, 이는 비평형, 기계적 불가역 상전이임을 시사한다.
• 이 결과는 2차원 물질에서 초고속, 테라헤르츠 유도 토폴로지 양자상 공학의 길을 열었다.
• 연구는 제어된 비평형 자극을 통해 2차원 물질에서 양자상 패턴링을 위한 THz 기반 기술의 잠재력을 드러냈다.