[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究探讨了在电荷密度波体系中非平衡对称性破缺的现象，利用超短激光脉冲将条纹相淬火至热力学禁阻的条纹状相。通过100 fs时间分辨率的相干电子衍射，作者观测到约1 ps的软模动力学以及非遍历行为，这些行为稳定了拓扑缺陷，锁定了一个具有独特性质的隐藏态，其持续时间超过1 ns，展示了对远离平衡态的量子相的控制。

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.

研究动机与目标

• 探索由超快光激发驱动的量子材料中的非平衡相变。
• 研究热力学禁阻条纹状电荷密度波态的形成动力学。
• 理解非遍历行为与拓扑缺陷如何稳定远离平衡态的瞬态相。
• 实现在相关电子体系中对对称性破缺动力学的亚100 fs时间分辨率追踪。

提出的方法

• 使用超短、强激光脉冲将电荷密度波体系从条纹相淬火至非平衡态。
• 采用约100 fs时间分辨率的相干电子衍射技术，探测实时结构动力学。
• 在约1 ps时间尺度上追踪介导对称性破缺的软模动力学。
• 通过分析瞬态序参量与拓扑缺陷的演化，识别非遍历行为。
• 监测载流子冷却动力学，评估其在冻结瞬态序中的作用。
• 表征系统最终态，以确认新性质在1 ns以上时间尺度的持久性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在淬火后，软模如何介导从条纹相自发破缺对称性形成隐藏电荷密度波态？
• RQ2 非遍历行为在稳定相关电子体系中非平衡相的过程中起什么作用？
• RQ3 在超快激发后，拓扑缺陷如何形成并在最终态中持续存在？
• RQ4 弛豫的时间尺度及其对瞬态序稳定化的影响是什么？
• RQ5 能否利用超快电子衍射稳定并观测到热力学禁阻的电荷密度波态？

主要发现

• 从条纹相到条纹状电荷密度波态的对称性破缺发生在约1 ps的时间尺度，由软模动力学驱动。
• 在对称性破缺附近观察到非遍历行为，这对于稳定隐藏态至关重要。
• 由于载流子冷却，拓扑缺陷在最终态中被冻结，形成具有独特性质的长寿命态。
• 隐藏态持续时间超过1 ns，表明尽管热力学上禁阻，其稳定性依然很强。
• 隐藏态的形成由相干软模介导，这些软模在淬火后自发展开。
• 采用约100 fs时间分辨率的超快电子衍射，成功捕捉了相变全过程及缺陷形成动力学。