Attoscience осветява пътя към свръхпроводимостта

Напредъкът в атосекундната мека рентгенова спектроскопия от изследователите на ICFO трансформира анализа на материалите, особено в изследването на взаимодействията светлина-материя и динамиката на много тела, с обещаващи последици за бъдещи технологични приложения.

Рентгеновата абсорбционна спектроскопия е елементно-селективна и чувствителна към електронно състояние техника и е една от най-широко използваните аналитични техники за изследване на структурата на вещества или вещества. Доскоро този метод изискваше трудоемко сканиране на дължината на вълната и не осигуряваше ултрабърза времева разделителна способност за изучаване на електронната динамика.

През последното десетилетие групата Attoscience и Ultrafast Optics в ICFO, ръководена от професора на ICREA в ICFO Йенс Бигерт h, разработи атосекундна мека рентгенова абсорбционна спектроскопия в нов аналитичен инструмент без необходимост от сканиране и с атосекундна резолюция.^[1,2]

Пробив в атосекундната мека рентгенова спектроскопия

Атосекундни меки рентгенови импулси с продължителност от 23 до 165 фута и свързана кохерентна мека рентгенова честотна лента от 120 до 600 eV^[3] Позволява цялата електронна структура на материала да бъде разпитана наведнъж.

Комбинирането на времевата разделителна способност на електронното откриване на движение в реално време и кохерентната честотна лента, която записва къде се случва промяната, осигурява изцяло нов и мощен инструмент за физиката и химията на твърдото тяло.

Излагането на графит на ултракъс среден инфрачервен лазерен импулс води до силно проводима хибридна фаза на фотонна материя, в която оптично възбудените електрони са силно свързани с кохерентни фотонни фонони. Наблюдаването на такова силно състояние на множество тела, което е оптически възбудено, става възможно чрез изучаване на живота на възбудени електронни състояния с помощта на атосекунден импулс от меки рентгенови лъчи. Кредит: ©ICFO

Един от най-фундаменталните процеси е взаимодействието на светлината с материята, например, за да разберем как слънчевата енергия се събира в растенията или как слънчевата клетка преобразува слънчевата светлина в електричество.

Основен аспект на науката за материалите е възможността квантовото състояние или функция на материал или материя да може да бъде променена от светлина. Подобно изследване на динамиката на много тела на материалите се занимава с фундаментални предизвикателства в съвременната физика, като например какво задейства всеки квантов фазов преход или как свойствата на материала възникват от микроскопични взаимодействия.

Скорошно проучване, проведено от изследователи от ICFO

В скорошно проучване, публикувано в сп Nature CommunicationsИзследователите на ICFO Темис Сидиропулос, Никола Ди Пало, Адам Съмърс, Стефано Северино, Маурицио Редуци и Йенс Бигерт докладват за наблюдение на индуцирано от светлина увеличение и контрол на проводимостта в графита чрез манипулиране на състоянието на много тяло на материала.

Иновативни техники за измерване

Изследователите са използвали светлинни импулси със стабилен субцикъл във фазата на носителя и обвити при 1850 nm, за да индуцират хибридното състояние на фотонния материал. Те изследваха електронната динамика, използвайки атосекундни меки рентгенови импулси със 165 km на въглеродния К ръб на графита при 285 eV. Атосекундната мека рентгенова абсорбциометрия изследва цялата електронна структура на материала на атосекундни стъпки на забавяне на помпа-сонда. Помпата при 1850 nm индуцира състояние с висока проводимост в материала, което съществува само поради взаимодействието на фотоматерията; Затова се нарича хибрид на леката материя.

Изследователите се интересуват от такива условия, защото се очаква те да доведат до квантови свойства на материали, които не съществуват в друго равновесно състояние, и тези квантови състояния могат да се превключват при основни оптични скорости до няколко терахерца.

До голяма степен обаче не е ясно как точно се появяват състоянията в материалите. Следователно има много спекулации в последните доклади относно индуцираната от светлина свръхпроводимост и други топологични фази. Изследователите на ICFO са използвали атосекундни импулси на меки рентгенови лъчи за първи път, за да „погледнат вътре в материята“ и също да покажат състоянието на материята със светлина.

„Изискванията за кохерентно изследване, времева разделителна способност на атосекунди и синхронизация на атосекунди между помпата и сондата са напълно нови и съществено изискване за такива нови изследвания, разрешени от науката за атосекундите“, отбелязва първият автор на изследването Темис Сидиропулос.

Електронна динамика в графит

За разлика от електронните намотки и усуканите двойни слоеве Графен„Вместо да манипулираме пробата, ние оптически възбуждаме материала с мощен светлинен импулс, като по този начин възбуждаме електроните до високоенергийни състояния и наблюдаваме как тези електрони се отпускат“ в материала, не само поотделно, но и като цялостна система, наблюдавайте взаимодействие между носителите на заряд и самата мрежа.

За да открият как електроните в графита се отпуснаха след прилагане на силен светлинен импулс, те взеха широк спектър от различни енергийни нива. Наблюдавайки тази система, те успяха да видят, че енергийните нива на всички носители на заряд показват, че фотопроводимостта на материала се увеличава в даден момент, което показва подписи или спомени за свръхпроводящата фаза.

Наблюдение на кохерентни фонони

Как успяха да видят това? Е, всъщност в предишна публикация те наблюдаваха поведението на кохерентни (а не произволни) фонони или колективно възбуждане на атоми в твърдо тяло. Тъй като графитът съдържа набор от много силни (високоенергийни) фонони, той може ефективно да прехвърля големи количества енергия далеч от кристала, без да уврежда материала чрез механичните вибрации на решетката. Тъй като тези кохерентни фонони се движат напред-назад, като вълна, електроните вътре в твърдото тяло изглежда се движат по вълната, генерирайки признаците на изкуствена свръхпроводимост, които екипът наблюдава.

Последици и бъдещи перспективи

Резултатите от това проучване показват обещаващи приложения в областта на фотонните интегрални схеми или оптичните изчисления, използващи светлина за манипулиране на електрони или контролиране на свойствата на материалите и манипулирането им със светлина. Както заключава Йенс Бигерт, „динамиката на много тела е в основата и може би един от най-предизвикателните проблеми в съвременната физика. Резултатите, които получихме тук, отварят нов свят на физиката, предлагайки нови начини за изследване и манипулиране на взаимосвързани фази на материята в реално време, което Те са от решаващо значение за съвременните технологии.

Справка: „Подобрена оптична проводимост и ефекти на много тела в силно фотокатализиран полуметален графит“ от TPH Sidiropoulos и N. Ди Пало, Д. Е. Ривас и А. Съмърс и С. Северино и М. Редуци и Дж. Biegert, 16 ноември 2023 г., Nature Communications.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Бележки

1. „Задвижван от подцикли мек плот с висок поток Бодис, 14 септември 2014 г., Оптика Букви.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. „Спектроскопия на фина структура на дисперсионни меки Барбара Бодис и Франк Копинс, 19 май 2018 г., оптика.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. „Атосекундни линии във водния прозорец: нова система за характеризиране на атосекундни пулсации“ от Сет Л. Косин, Никола Ди Пало, Барбара Бодис, Стефан М. Учител, М. Редуци, М. Де Вита, А. Йенс Бигерт, 2 ноември 2017 г., Физически преглед.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030