Ultrafast structural dynamics in quantum materials
Tid: Fr 2026-02-13 kl 10.00
Plats: FA31 Roslagstullsbacken 21
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/68248144408
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik, Material- och nanofysik
Respondent: Jianyu Wu , Ljus och materiens fysik
Opponent: Professor Peter Baum, University Konstanz; Associate Professor Ali W. Elshaari, Tillämpad fysik, KTH; Associate Professor Ute Cappel, Uppsala University; Associate Professor Tom Willhammar, Stockholms University
Handledare: professor Jonas Weissenrieder, Ljus och materiens fysik; professor Oscar Tjernberg, Nordic Institute for Theoretical Physics NORDITA, Ljus och materiens fysik
QC 2026-01-22
Abstract
Strain utgör en kraftfull metod för att manipulera kvanttillstånd i topologiska material genom att koppla gitterdeformationer till spinn-, laddnings- och topologiska frihetsgrader. Även om statiska metoder såsom strain-ingenjörskonst, stapling och vridning har utökat tillgången till nya kvantfaser, kvarstår reversibel och programmerbar kontroll av sådana tillstånd på ultrafasta tidsskalor som en central utmaning. Denna avhandling adresserar detta genom att undersöka ultrafasta strukturdynamiker och strain-modulering i van der Waals-material med hjälp av ultrafast elektronmikroskopi (UEM), som kombinerar rumslig upplösning på nanometernivå med temporal upplösning på pikosekundnivå.
Arbetet inleds med studier av utbredning och interferens av strainvågor i defekta prover. Samspelet mellan statiska strainfält och fotoexciterade koherenta akustiska fononer undersöks i Weyl-semimetallen WTe₂. Lokala stående vågor genereras vid defektplatser där statisk och dynamisk strain kopplas samman, vilket möjliggör deterministisk modulering av strain på längdskalor om tiotals nanometer. Finita element-simuleringar kompletterar UEM-avbildning och klargör mekanismerna bakom ljusinducerad transient strain-ingenjörskonst. Genom att använda rumsligt strukturerade femtosekundoptiska fält kan gitteroscillationer dessutom begränsas till programmerbara fononkaviteter med justerbara dimensioner, symmetrier och frekvenser. UEM avbildar direkt dessa fonondynamiker, inklusive begränsade ut-ur-planet-oscillationer och in-plan Lamb-vågor, vilket etablerar en plattform för koherent fonon-ingenjörskonst och programmerbar transient gitterkontroll på nanoskala.
Studien utvidgas därefter till kontroll av metastabila strukturella faser. Vi demonstrerar en fotoinducerad ultrafast strukturell fasövergång i PdSe₂, som sker inom tiotals pikosekunder och följs av långlivade metastabila tillstånd som kvarstår på nanosekundtidsskalor. Detta beteende belyser potentialen hos pentagonalt skiktade material som optiskt switchbara plattformar för fasstyrning. Vidare realiseras topologisk fas-mönstring i WTe₂ driven av femtosekundlasrar genom att konstruera transienta optiska gitter. Detta möjliggör selektiva och reversibla övergångar mellan topologiska och triviala faser, där realrumsavbildning avslöjar strain-medierad dynamik vid gränsytor. Dessa studier av metastabil strukturkontroll banar väg för optiskt adresserbara kvant- och topologiska enheter.
Slutligen rapporterar vi direkt observation av moiré-mönsterdynamik under transient strain i tvistade van der Waals-homostrukturer. Tidsupplöst mörkfältsavbildning visar koherenta oscillationer i moiré-kontrasten vid fononfrekvenser, rumsligt korrelerade med böjda regioner. Dessa resultat demonstrerar kopplingen mellan gittervibrationer och framväxande funktionalitet i van der Waals-kopplingar.
Sammantaget etablerar detta arbete ett generellt ramverk för spatiotemporal ultrafast strukturell kontroll i skiktade material. Genom att sammanföra strukturerad ljusexcitation med gitterdynamik öppnas nya vägar mot optiskt rekonfigurerbara kvantfaser, topologiska texturer och nya enhetsfunktionaliteter.