[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究展示了在二维 MoTe₂ 中通过太赫兹（THz）场驱动的不可逆相变，通过场增强的载流子释放与倍增，使其从半导体性的 2H 相转变为类似拓扑绝缘体的 1T′ 相。单次时间分辨二次谐波生成（SHG）证实该相变在 10 纳秒内完成，实现了超快、非平衡态的相工程，为基于太赫兹的量子相图案化提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 利用强太赫兹场探索量子材料中的非平衡、不可逆相变。
• 研究在二维过渡金属二硫属化合物中稳定非平衡拓扑相的可行性。
• 通过克服竞争相之间的能垒，展示在 MoTe₂ 中实现超快、场诱导相工程。
• 建立基于太赫兹控制二维材料中量子相的平台。

提出的方法

• 利用台面式、场增强的太赫兹脉冲驱动机械剥离的二维 MoTe₂ 纳米片中的非平衡相变。
• 采用单次时间分辨二次谐波生成（SHG）技术探测太赫兹激发后超快的结构与对称性变化。
• 利用二维 TMD 中大且可调的掺杂能垒，使太赫兹激发后瞬态 1T′ 相得以稳定。
• 通过太赫兹诱导的载流子释放与倍增过程监测载流子动力学，高场激发下有利于 1T′ 相的形成。
• 通过测量太赫兹脉冲激发后不同时间延迟下的 SHG 强度演化，分析相变动力学。
• 聚焦于 2H 相向 1T′ 相的转变，该转变被预测可承载拓扑表面态。

实验结果

研究问题

• RQ1 强太赫兹场能否在二维 MoTe₂ 中诱导从 2H 相到 1T′ 相的不可逆相变？
• RQ2 太赫兹驱动相变的时间尺度是多少？能否通过单次时间分辨 SHG 技术实现分辨？
• RQ3 场增强的载流子动力学在多大程度上促进了 1T′ 相的稳定，尽管其为非平衡态？
• RQ4 能否通过太赫兹脉冲诱导的瞬态高载流子密度来克服相之间的能垒？
• RQ5 被预测为拓扑绝缘体的 1T′ 相，是否能在非平衡太赫兹激发下实现稳定？

主要发现

• 通过强太赫兹脉冲，首次在实验上实现了二维 MoTe₂ 中从 2H 相到 1T′ 相的相变，证实了不可逆转变。
• 相变在 10 纳秒内完成，由单次时间分辨二次谐波生成测量结果解析。
• 场增强的载流子释放与倍增过程产生了瞬态高载流子密度，有利于 1T′ 相而非 2H 相。
• 太赫兹激发后 1T′ 相得以稳定，表明发生了非平衡、不可逆相变。
• 研究结果为在二维材料中实现超快、太赫兹驱动的拓扑量子相工程开辟了新路径。
• 本研究揭示了通过受控的非平衡激发，实现基于太赫兹的二维材料中量子相图案化的潜力。