[论文解读] Dual vortex charge order in a metastable state created by an ultrafast topological transition in 1T-TaS$_{2}$

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

Force Microscopy Techniques and Applications被引用 3

一句话总结

本研究揭示了飞秒激光脉冲在1T-TaS₂中诱导出的亚稳态金属态，驱动非平衡拓扑相变，产生双尺度电荷序：约70 nm尺度的手性涡旋结构，以及约5 nm尺度的束缚涡旋-反涡旋对与调制失配结构。该现象源于非平衡嵌套费米面电子的干涉，表明可通过超快淬火实现长寿命、复杂电荷有序态的工程化调控。

ABSTRACT

Many body systems in complex materials undergoing non-equilibrium phase transitions may self-organise into ordered metastable emergent states with new and unexpected functionalities. Here, using large-area scanning tunneling microscopy we reveal an intricate chiral vortex structure and complex tiling of charged electron domains in the metastable metallic state in 1T-TaS$_2$ created by a non-equilibrium topological transition initiated by a single femtosecond optical pulse. A Moir\'e analysis shows that the interference of non-equilibrium nested Fermi surface (FS) electrons leads to the creation of charge vortices $\vec{\cal{D}}$ on a length scale of $\sim$70 nm. On a much smaller scale of $\sim5$ nm, domain configurational patterns appear, which show bound vortex-antivortex pairs, discommensurations, domain wall (DW) crossings and DW kinks, consistent with a rapidly quenched Berezinskii-Kosterlitz-Thouless (BKT) - transition. Revealing the detailed mechanism for the transition leads the way to design of long-range charge-ordered metastable states with intricate emergent properties under controlled non-equilibrium conditions.

研究动机与目标

• 研究在超快光激发诱导的非平衡条件下，1T-TaS₂中复杂电荷有序态的出现机制。
• 理解关联电子体系中拓扑相变后亚稳态电荷序的微观起源。
• 表征非平衡态下电荷涡旋与畴壁在多尺度空间结构中的组织方式。
• 探讨非平衡费米面嵌套在驱动复杂电荷有序图案形成中的作用。

提出的方法

• 采用大面积扫描隧道显微镜（LT-STM）观测单个飞秒光脉冲后1T-TaS₂中电荷序的空间演化。
• 应用莫尔分析从非平衡嵌套费米面电子波中提取干涉图案，揭示约70 nm尺度的电荷涡旋形成。
• 高分辨率成像解析了亚5 nm的畴结构，包括束缚涡旋-反涡旋对、调制失配结构以及畴壁交叉。
• 动力学行为通过快速淬火的贝列津-科斯特利茨-索利斯（Berezinskii-Kosterlitz-Thouless, BKT）相变视角进行解释，表明拓扑缺陷的结合。
• 分析重点区分了涌现序与平衡相，强调超快淬火在稳定亚稳态中的关键作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 在飞秒激光脉冲诱导的非平衡拓扑相变后，1T-TaS₂中形成的电荷有序结构类型为何？
• RQ2 非平衡嵌套费米面电子如何促成约70 nm尺度电荷涡旋的形成？
• RQ3 亚5 nm尺度的畴构型本质为何？其与拓扑缺陷结合的关系如何？
• RQ4 所观测到的亚稳态是否可理解为淬火的贝列津-科斯特利茨-索利斯（BKT）相变？

主要发现

• 1T-TaS₂中的亚稳态金属态表现出特征尺度约70 nm的手性涡旋结构，由非平衡嵌套费米面电子的干涉驱动。
• 在更短的约5 nm尺度上，系统呈现出束缚涡旋-反涡旋对、调制失配结构、畴壁交叉及扭结，表明拓扑缺陷的结合。
• 观测到的畴构型与快速淬火的贝列津-科斯特利茨-索利斯（BKT）相变一致，提示该亚稳态具有拓扑稳定机制。
• 双尺度电荷序——宏观涡旋与纳米尺度畴纹理——在超快非平衡条件下自组织形成复杂、涌现的有序态。
• 研究结果表明，超快光激发可稳定长寿命、复杂的电荷有序态，具有实现功能定制化的潜在前景。