一、研究背景

光對(duì)材料特性的可調(diào)性在未來的能量轉(zhuǎn)換和信息技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。強(qiáng)相關(guān)材料，如過渡金屬二硫族化合物，通過光摻雜提供電子相、電荷排序和層間相關(guān)的光學(xué)控制。超越單粒子圖像的集體行為促進(jìn)了各種基本物理現(xiàn)象，如超導(dǎo)性和鐵磁性，它們涉及在臨界溫度以下建立長(zhǎng)程秩序。由于較弱的散射屏蔽和減少的相空間體積，集體激勵(lì)在低維系統(tǒng)中尤為重要。

過渡金屬二硫族化合物(TMDCs)因其高度的各向異性相關(guān)性而脫穎而出。這導(dǎo)致直接到間接帶隙躍遷的發(fā)生，層和摻雜相關(guān)的超導(dǎo)性和電荷密度波(CDWs)的形成。易受電荷排序影響的TMDCs通常表現(xiàn)出多個(gè)熱力學(xué)CDW相，由不同的平衡控制，例如電子-聲子耦合，電子接收相關(guān)關(guān)系和費(fèi)米面嵌套這些相可能表現(xiàn)出截然不同的宏觀性質(zhì)，但與CDW耦合的周期性晶格畸變(PLD)只有細(xì)微的變化。CDW系統(tǒng)的有效維數(shù)是由相鄰層之間的耦合決定的。因此，改變層間相關(guān)性的相變可能導(dǎo)致維度交叉的發(fā)生。在超快時(shí)間尺度上，利用超快電子衍射和x射線衍射研究了CDW的疊加動(dòng)力學(xué)。特別是，光誘導(dǎo)激子相關(guān)的擊穿被證明可以淬滅面外有序，并且使用光激發(fā)密度的仔細(xì)調(diào)諧來實(shí)現(xiàn)具有二維特征的層間相邊界，這提出了光控制是否可以作為基本低維現(xiàn)象(如KTHNY躍遷)的通道的問題。

二、研究成果

近日，德國(guó)大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)薄膜過渡金屬二硫化物1t型二硫化鉭(1T-TaS2)在兩個(gè)電荷密度波相之間的激光誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變過程中出現(xiàn)了瞬態(tài)六態(tài)。引入傾斜串聯(lián)超快納米束電子衍射，以高動(dòng)量分辨率重建電荷密度波搖擺曲線。三維結(jié)構(gòu)相關(guān)性的間歇性抑制促進(jìn)了平面內(nèi)平移順序的損失，這是由高密度的未結(jié)合拓?fù)淙毕菀鸬?，這是六體中間體的特征。他們研究結(jié)果證明了層狀超快速結(jié)構(gòu)探測(cè)在追蹤耦合有序參數(shù)方面的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)示著在功能異質(zhì)結(jié)構(gòu)和器件中實(shí)現(xiàn)激光誘導(dǎo)尺寸控制的普遍納米級(jí)途徑。該研究工作以題為“Light-induced hexatic state in a layered quantum material”的論文發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。

三、圖文速遞

作為本研究的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，他們特別利用超快透射電子顯微鏡(UTEM) (圖1a)中激光觸發(fā)場(chǎng)發(fā)射器的能力來進(jìn)行高相干飛秒電子衍射。特別是，他們結(jié)合了高互向空間分辨率和一個(gè)特別窄的電子束，在一個(gè)擴(kuò)展的系列的八個(gè)光束傾斜。他們?cè)O(shè)置的小有效源尺寸導(dǎo)致橫向相干長(zhǎng)度高達(dá)光束直徑的十分之一，從而能夠精確測(cè)量平面內(nèi)光斑輪廓，并允許我們區(qū)分具有相似周期性特征的相位。同時(shí)，納米探針束保證了樣品區(qū)的衍射在厚度和方向上具有足夠的均勻性，這是定量研究堆積動(dòng)力學(xué)所需要的。這種結(jié)構(gòu)變化的指紋通常編碼為低強(qiáng)度衍射信號(hào)。我們通過量身定制的樣品設(shè)計(jì)來提高對(duì)這些特征的靈敏度，以前所未有的610 kHz激光重復(fù)率驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換，最大化我們的測(cè)量方案的占空比。

他們研究了1T-TaS2中兩個(gè)不相稱的CDW上層結(jié)構(gòu)之間的光誘導(dǎo)躍遷(圖2a中的灰色和紅色區(qū)域)。在熱平衡狀態(tài)下，溫度高于353 K時(shí)，CDW/PLD的面內(nèi)調(diào)制波矢量qi,IC(其中i∈{1,2})沿六邊形host的晶格矢量ai排列。由于無間隙長(zhǎng)程相位波動(dòng)(或“相位”)模式的存在，這種高溫不相稱(IC)相中的CDW有效地自由浮動(dòng)，并且僅與鄰近層弱耦合。因此，1T-TaS2中的IC相是拓?fù)淙毕莺蜐撛诘牧蛴行虻睦硐胨拗鳌?/span>相應(yīng)的衍射幾何圖形的可視化如圖2b所示。在傾斜光束條件下，電子衍射圖通常在一個(gè)以上的勞厄區(qū)(2d)中顯示斑點(diǎn)。主反射位于零階勞厄區(qū)(ZOLZ)，靠近未散射光束，與周圍的二階CDW點(diǎn)相比顯得明亮。由于CDW疊加順序，一階CDW反射出現(xiàn)在一階勞厄區(qū)(FOLZ)和中等波束傾斜的較大波矢量處。

3a顯示了在FOLZ (2.8 mJ cm?2泵浦流量，1.1 μm電子光斑直徑)中幾個(gè)主要反射的一系列時(shí)間分辨衍射圖。在光激發(fā)之前(即零時(shí)間)，我們觀察到初始NC相位的尖銳一階斑點(diǎn)的三重。中間額外的低強(qiáng)度反射來自較高的CDW階(>2)。激發(fā)后，NC光斑強(qiáng)度在1ps內(nèi)被抑制，隨后出現(xiàn)(m1, m2) =(1,0)，(0,1)和(- 1,1)的附近反射，這是初始IC相的證據(jù)，并表現(xiàn)出明顯的各向異性增寬，以及幾皮秒的強(qiáng)度增加。另外，在(m1, m2) =(?1,0)、(0，?1)和(1，?1)處，即與IC亮斑相反，檢測(cè)到散射強(qiáng)度略有增加。只有在這些早期動(dòng)態(tài)之后，光斑形狀才會(huì)變得各向同性，只有明亮的IC光斑才會(huì)保留下來(如100 ps時(shí)的圖像)。為了進(jìn)行定量分析，我們用更長(zhǎng)的相機(jī)長(zhǎng)度記錄了第二組圖像序列，即優(yōu)化的互向空間分辨率(圖3b;3.7 mJ cm?2泵浦流量，1.1 μm電子光斑直徑。他們擬合了每個(gè)時(shí)間延遲點(diǎn)的形狀，并提取了方位角和徑向點(diǎn)寬度(分別由棕色和藍(lán)色箭頭表示)。結(jié)果如圖4a(棕色和藍(lán)色數(shù)據(jù)點(diǎn))所示。光激發(fā)后不久光斑寬度比>2(圖4b中的藍(lán)色圓圈)，反射呈現(xiàn)各向同性，但在10 ps(時(shí)間制度I)內(nèi)形狀變寬。在更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上，IC光斑寬度接近于時(shí)間零之前測(cè)量的NC峰值(時(shí)間制度II;圖4a中對(duì)應(yīng)的灰虛線)。值得注意的是，這種行為與IC波矢量的單調(diào)增長(zhǎng)相吻合，在延遲時(shí)間較晚時(shí)，IC波矢量最初比平衡相位短約2%(圖4b中的黑色圓圈)。

過去，CDW位錯(cuò)和結(jié)構(gòu)域壁都被用來描述微觀尺度上的瞬態(tài)無序結(jié)構(gòu)。雖然已知1T-TaS2中的CDW狀態(tài)支持這兩種類型的拓?fù)涮卣?，但在他們的測(cè)量中，IC相形成動(dòng)力學(xué)的早期階段和KTHNY行為之間的概念一致性進(jìn)一步得到IC波矢量時(shí)間演化的證實(shí)(圖4b中的黑色圓圈)。觀察到的初始縮短最近被歸因于位錯(cuò)誘導(dǎo)的電子系統(tǒng)的自摻雜。同時(shí)存在的高度不相關(guān)的面外結(jié)構(gòu)促進(jìn)了本質(zhì)上的二維行為，從互易晶格棒的延伸中可以明顯看出(圖3c和4a)，這也導(dǎo)致了6個(gè)IC反射在同一Laue區(qū)域的同時(shí)可見性(圖3a;1ps ~ 5ps)。該模型能夠很好地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)觀察到的倒向晶格棒(圖4a中的實(shí)線)的時(shí)間演變，以及在nc到ic轉(zhuǎn)變溫度以上的CDW衍射光斑強(qiáng)度。在早期，自由能景觀中的非線性驅(qū)動(dòng)IC振幅的局部積累(圖4c中的紅色曲線)，而沒有長(zhǎng)期相關(guān)性，這種積累在各個(gè)層內(nèi)獨(dú)立展開。由于不相稱的CDW與底層原子晶格的維數(shù)降低和可忽略不計(jì)的鎖定，高密度的不相關(guān)相奇點(diǎn)構(gòu)成了這種無序初始態(tài)的最有利構(gòu)型。這些點(diǎn)缺陷在三階參數(shù)中的兩個(gè)相中具有相反的手性，從而導(dǎo)致物理CDW位錯(cuò)的形成。隨后，梯度項(xiàng)通過缺陷動(dòng)力學(xué)和重組控制了遠(yuǎn)距離有序IC相的建立，區(qū)分了在整個(gè)動(dòng)力學(xué)過程中形成模擬衍射斑各向異性的CDW的徑向和方位剛度。

四、結(jié)論與展望

綜上所述，在他們的研究中，超快衍射與特殊準(zhǔn)直的納米探針可以實(shí)現(xiàn)六向有序和堆疊動(dòng)力學(xué)的識(shí)別。這些結(jié)果與最近對(duì)激光誘導(dǎo)瞬態(tài)相位和維度交叉的觀察結(jié)果相吻合，說明了對(duì)層間相關(guān)性的光學(xué)控制如何用于控制低維狀態(tài)和躍遷。為了解決超快和材料科學(xué)中反復(fù)出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)，這種方法有望推進(jìn)以弱結(jié)構(gòu)特征、亞微米樣品尺寸和相當(dāng)大的空間異質(zhì)性為特征的系統(tǒng)的高分辨率非平衡研究。因此，納米級(jí)結(jié)構(gòu)分析將指導(dǎo)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，通過材料成分和對(duì)外部刺激的定制響應(yīng)來獲取激光誘導(dǎo)的功能。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41563-023-01600-6