ٹوپولاجیکل نقائص مرحلے کی منتقلی کے عمل میں ایک اہم کردار ادا کرتے ہیں۔ ابتدائی کائنات کی تشکیل کے نظریہ کو مثال کے طور پر لیتے ہوئے، بگ بینگ کے بعد، کائنات تیزی سے ٹھنڈی ہوئی، جس نے خود بخود مرحلے کی منتقلی کا ایک سلسلہ شروع کیا۔ نظریاتی طبیعیات دان، جیسے ٹام کیبل، نے تجویز کیا ہے کہ گرتے ہوئے درجہ حرارت پر ان فیز ٹرانزیشن کے ساتھ ٹاپولوجیکل نقائص پیدا ہوں گے، اور ان نقائص کو کائناتی تار کے نام سے جانا جاتا ہے۔ چونکہ موجودہ تجرباتی ذرائع سے کائناتی تاروں کی تشکیل کے عمل کا براہ راست مشاہدہ کرنا اب بھی مشکل ہے، اس لیے لوگ ٹاپولوجیکل نقائص کا مطالعہ کرنے کے لیے دوسرے نظاموں کے استعمال کی بھی تلاش کر رہے ہیں، اور کوانٹم مواد ٹاپولوجیکل نقائص کی تشکیل کے عمل کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک مثالی پلیٹ فارم فراہم کرتا ہے۔ خوردبین سطح کوانٹم مواد کے مطالعہ میں، ٹاپولوجیکل نقائص نہ صرف درجہ حرارت میں کمی میں پیدا ہوتے ہیں، بلکہ عارضی ٹاپولوجیکل نقائص بھی femtosecond beam excitation سے پیدا ہوتے ہیں، اور یہ نقائص اکثر ایسی خصوصیات یا مرحلے کی منتقلی کو جنم دیتے ہیں جو توازن میں موجود نہیں ہوتے ہیں، جیسے کہ روشنی۔ حوصلہ افزائی انسولیٹر میٹل فیز ٹرانزیشن اور سپر کنڈکٹنگ جیسا رویہ۔ کائناتی تاروں کے مسئلے کی طرح، تصویر کی حوصلہ افزائی والے ٹاپولوجیکل نقائص کی متحرک تشکیل میں خوردبینی پیمانوں اور الٹرا شارٹ ٹائم اسکیلز پر تجرباتی مشاہدات کی کمی ہے، اور ٹاپولوجیکل خرابی کی تشکیل کے لیے درکار عین وقت پر اتفاق رائے کا فقدان ہے۔
تصویری شکل 1: ٹاپولوجیکل نقائص کی فیمٹوسیکنڈ لیزر سے متاثرہ نسل
نینو میٹر کے مقامی پیمانے اور فیمٹوسیکنڈز کے ٹائم سکیل دونوں پر ان نقائص کی تشکیل کے عمل کا مطالعہ کرنے کے لیے، سکول آف فزکس اینڈ آسٹرونومی/ژانگ جیانگ انسٹی ٹیوٹ آف ایڈوانسڈ اسٹڈیز کے پروفیسر وزرڈ اور ماہر تعلیم جی کی قیادت میں ایک گروپ شنگھائی جیاؤ ٹونگ یونیورسٹی کے سکول آف فزکس اینڈ آسٹرونومی/لی ژینڈاؤ ریسرچ انسٹی ٹیوٹ کے ژانگ نے حال ہی میں شنگھائی یونیورسٹی آف سائنس اینڈ ٹیکنالوجی (SUSTech)، کیلیفورنیا، برکلے اور لاس اینجلس کی یونیورسٹیوں، Brookhaven National Laboratory (BNL) کے محققین کے ساتھ تعاون کیا۔ ، اور ایمسٹرڈیم یونیورسٹی (UA)۔ یونیورسٹی آف کیلیفورنیا، برکلے، اور لاس اینجلس، بروکھاوین نیشنل لیبارٹری، اور ایمسٹرڈیم یونیورسٹی کے محققین کے ساتھ مل کر، گروپ نے نیشنل ریسرچ انسٹرومینٹیشن پروگرام کے تعاون سے آزادانہ طور پر تیار کردہ میگا وولٹ الٹرا فاسٹ الیکٹران ڈفریکشن سسٹم کا استعمال کیا ہے۔ چائنا فاؤنڈیشن فار سائنس اینڈ ٹکنالوجی (CNRI)، اور اس نے حقیقی وقت میں اور جوہری پیمانے پر، آپٹیکل ایکسائٹیشن (تصویر 1) کے تحت چارج کثافت-لہر مواد 1T-TiSe2 میں ٹاپولوجیکل نقائص کی تشکیل کا مشاہدہ کیا ہے۔ یہ کام حال ہی میں نیچر فزکس میں "2D چارج کثافت کی لہر میں ٹاپولوجیکل نقائص کی الٹرا فاسٹ تشکیل" کے عنوان سے شائع ہوا تھا۔
حقیقی خلا میں نقائص کی براہ راست امیجنگ کے برعکس، یہ تجربہ نقائص کی ساختی معلومات حاصل کرنے کے لیے تفاوت کا استعمال کرتا ہے، کیونکہ مختلف نقائص کے ڈھانچے الٹی جگہ میں مختلف تفاوت فنگر پرنٹس بناتے ہیں (تصویر 2)۔ تفریق کی چوٹیوں کے ساتھ ساتھ پھیلنے والے بکھرنے والے اشاروں کا تجزیہ کرنے اور ان کی تقلید کرنے کے بعد، تحقیقی ٹیم نے روشنی کے جوش کے بعد مادی ساخت اور ٹاپولوجیکل نقائص کے متحرک عمل کو کامیابی سے ڈی کوڈ کیا۔
تصویر 2: مختلف ڈھانچے کی تقسیم کے مطابق تفاوت جگہ کی معلومات کی اسکیمیٹک نمائندگی
یہ تجربات 2D کوانٹم مواد 1T-TiSe2 پر کیے گئے، جو 200 K کے قریب چارج کثافت لہر (CDW) مرحلے کی منتقلی سے گزرتا ہے۔ ٹیم نے ماضی کے تجربات میں پایا کہ کچھ تہوں میں CDW کی ساخت کو کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔ جب درجہ حرارت 200 K سے کم ہو تو ایک کمزور فیمٹوسیکنڈ لیزر کے ذریعے منظم طریقے سے پوری تہہ کو الٹنے کا سبب بنتا ہے۔ نتیجتاً، اصل CDW اور CDW کے انٹرفیس پر 2D الیکٹرانک حالت کے ساتھ ایک ڈومین بن سکتا ہے۔ پرت ڈومین وال دو جہتی الیکٹرانک ریاستوں کے ساتھ [Nature 595,239(2021)]۔ جیسے جیسے پمپ لیزر کی توانائی کی کثافت میں اضافہ ہوتا رہتا ہے، ساختی معکوس رویے سے گزرنے والی CDW تہوں کی تعداد بتدریج بڑھتی جاتی ہے، اور تین جہتی CDW مکمل طور پر دو جہتی CDW میں تبدیل ہو جاتی ہے جس کا تہوں کے درمیان کوئی تعلق نہیں ہوتا ہے۔ 963 (2022)]۔
اس مطالعہ میں، ٹیم نے 200 K سے اوپر کی پیمائش کے درجہ حرارت کا انتخاب کیا، یہ وہ حالت ہے جس میں 1T-TiSe2 میں صرف جہاز میں 2D CDW موجود ہے۔ تفاوت کی جگہ پر پھیلے ہوئے بکھرنے والے سگنل کا تجزیہ کرتے ہوئے، جو کہ روایتی بریگ چوٹی سگنل (تصویر 3) سے تقریباً 1000 گنا کمزور ہے، ٹیم نے پایا کہ پہلو کے اندر دو جہتی CDW بھی اسی طرح کے الٹے عمل سے گزرتا ہے جیسا کہ تین۔ جہتی CDW، یعنی، پہلو کے اندر ایک واحد پھنسے ہوئے CDW الٹا موجود ہے، اور یہ کہ یہ الٹا عمل ایک جہتی ڈومین وال کی تشکیل کا باعث بنتا ہے، یعنی ایک جہتی ٹاپولوجیکل نقائص، پرت کے اندر (دیکھیں اسکیمیٹک خاکہ تصویر کا نچلا بائیں کونا۔ 2)۔
1D ڈومین کی دیواروں کی پیمائش کے دوران، نظام کے انتہائی اعلیٰ عارضی ریزولوشن اور سگنل ٹو شور کے تناسب کی بدولت، گروپ نے یہ بھی پایا کہ خرابی کی تشکیل کے ایک ہی وقت کے پیمانے کے ساتھ کچھ پھیلے ہوئے بکھرنے والے سگنلز کے ساتھ خصوصی تقسیم کے ساتھ الٹا خلا. پھیلنے والے بکھرنے والے سگنلز اور متعلقہ حرکیات کے نظریاتی نقوش کے ساتھ مل کر، ٹیم نے پایا کہ یہ سگنلز آپٹیکل اتیجیت سے پیدا ہونے والے طول بلد صوتی فونوں سے آتے ہیں، اور یہ کہ یہ طول البلد صوتی فونون اوپر بیان کردہ چین ڈومین دیوار کے نقائص کی تشکیل کے لیے محرک عنصر ہیں۔ .
یہ کام پہلی بار ذیلی پکوسیکنڈ ٹائم اسکیل میں خرابی کی تشکیل کے عمل اور اس عمل میں جالی کمپن کے کلیدی کردار کو ظاہر کرتا ہے، جو غیر متوازن مادے کی نوعیت اور ٹاپولوجیکل کے کردار کی مستقبل کی تفہیم کے لیے اہم معلومات فراہم کرے گا۔ نقائص، اور فونون ڈائنامکس تجزیہ کا طریقہ کوانٹم مواد، تھرمو الیکٹرک مواد، اور دیگر نئے توانائی کے مواد میں توانائی کی تبدیلی کے طریقہ کار کو مزید سمجھنے میں بھی مدد کر سکتا ہے۔
اس کام کو چین کے قومی کلیدی تحقیق اور ترقی کے پروگرام (نمبر 2021YFA1400202)، نیشنل نیچرل سائنس فاؤنڈیشن آف چائنا (NNSFC) (نمبر 11925505، 12005132، 11504232 اور 11721091) کے میونسپل کمیشن آف دی میونسپل کمیشن (Shang Program) نے تعاون کیا۔ سائنس اور ٹیکنالوجی (نمبر 16DZ2260200)، یو ایس ڈیپارٹمنٹ آف انرجی (DOE) اور یو ایس نیشنل سائنس فاؤنڈیشن (NSF)۔ فاؤنڈیشن (این ایس ایف)۔ شنگھائی جیاؤٹونگ یونیورسٹی سے ڈاکٹر یون چینگ (گریجویٹ) اور ڈاکٹر الفریڈ زونگ، کیلیفورنیا یونیورسٹی میں ملر فیلو، برکلے (جلد ہی سٹینفورڈ یونیورسٹی میں اسسٹنٹ پروفیسر بننے والے) مضمون کے شریک پہلے مصنف ہیں۔
