Attonauka oświetla drogę do nadprzewodnictwa

Postępy w attosekundowej spektroskopii miękkiego promieniowania rentgenowskiego dokonane przez badaczy z ICFO zmieniły analizę materiałów, szczególnie w badaniu interakcji światła z materią i dynamiką wielu ciał, co ma obiecujące implikacje dla przyszłych zastosowań technologicznych.

Spektroskopia absorpcyjna promieniowania rentgenowskiego jest techniką selektywną względem pierwiastków i wrażliwą na stan elektronowy oraz jedną z najczęściej stosowanych technik analitycznych do badania struktury substancji lub substancji. Do niedawna metoda ta wymagała pracochłonnego skanowania długości fali i nie zapewniała ultraszybkiej rozdzielczości czasowej do badania dynamiki elektronowej.

W ciągu ostatniej dekady grupa Attoscience and Ultrafast Optics w ICFO, kierowana przez profesora ICREA w ICFO Jensa Biegerta h, opracowała attosekundową spektroskopię absorpcyjną miękkiego promieniowania rentgenowskiego w nowe narzędzie analityczne bez konieczności skanowania i z rozdzielczością attosekundową.^[1,2]

Przełom w attosekundowej spektroskopii miękkiego promieniowania rentgenowskiego

Attosekundowe impulsy miękkiego promieniowania rentgenowskiego o czasie trwania od 23 do 55 stóp i powiązana z nimi spójna szerokość pasma miękkiego promieniowania rentgenowskiego od 120 do 600 eV^[3] Umożliwienie jednoczesnego przesłuchania całej struktury elektronicznej materiału.

Połączenie rozdzielczości czasowej elektronicznego wykrywania ruchu w czasie rzeczywistym i spójnej szerokości pasma rejestrującej miejsce wystąpienia zmiany zapewnia zupełnie nowe i potężne narzędzie do fizyki i chemii ciała stałego.

Wystawienie grafitu na działanie ultrakrótkiego impulsu lasera średniej podczerwieni powoduje powstanie wysoce przewodzącej fazy hybrydowej materii fotonicznej, w której optycznie wzbudzone elektrony są silnie sprzężone ze spójnymi fononami fotonicznymi. Obserwowanie tak silnego stanu wielociałowego, który jest wzbudzony optycznie, jest możliwe dzięki badaniu czasu życia wzbudzonych stanów elektronicznych za pomocą miękkiego, attosekundowego impulsu rentgenowskiego. Źródło: ©ICFO

Jednym z najważniejszych procesów jest interakcja światła z materią, na przykład w celu zrozumienia, w jaki sposób energia słoneczna jest gromadzona w roślinach lub w jaki sposób ogniwo słoneczne przekształca światło słoneczne w energię elektryczną.

Podstawowym aspektem inżynierii materiałowej jest możliwość zmiany stanu kwantowego lub funkcji materiału lub materii pod wpływem światła. Takie badania nad dynamiką materiałów wielu ciał dotyczą podstawowych wyzwań współczesnej fizyki, takich jak to, co wyzwala kwantowe przejście fazowe lub sposób, w jaki właściwości materiałów powstają w wyniku interakcji mikroskopowych.

Niedawne badanie przeprowadzone przez naukowców z ICFO

W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Komunikacja przyrodniczaBadacze z ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi i Jens Bigert donoszą, że obserwują indukowany światłem wzrost i kontrolę przewodności w graficie poprzez manipulowanie stanem wielociałowym materiału.

Innowacyjne techniki pomiarowe

Naukowcy wykorzystali impulsy świetlne o stabilnym podcyklu w fazie nośnej i otoczone przy 1850 nm, aby wywołać stan hybrydowy materiału fotonicznego. Zbadali dynamikę elektronową za pomocą attosekundowych impulsów miękkiego promieniowania rentgenowskiego o długości 165 km na krawędzi węgla K grafitu przy 285 eV. Attosekundowa absorpcjometria miękkiego promieniowania rentgenowskiego badała całą strukturę elektronową materiału w krokach opóźnienia attosekundowej pompy-sondy. Pompa przy 1850 nm indukowała w materiale stan wysokiej przewodności, który istnieje wyłącznie w wyniku interakcji fotomaterii; Dlatego nazywa się ją hybrydą materii lekkiej.

Badaczy interesują takie warunki, ponieważ oczekuje się, że powodują one powstanie właściwości kwantowych materiałów, które nie występują w żadnym innym stanie równowagi, a te stany kwantowe można przełączać przy podstawowych prędkościach optycznych sięgających kilku teraherców.

Jednak w dużej mierze nie jest jasne, w jaki sposób dokładnie stany pojawiają się w materiałach. Dlatego w ostatnich raportach pojawia się wiele spekulacji na temat nadprzewodnictwa indukowanego światłem i innych faz topologicznych. Badacze z ICFO po raz pierwszy wykorzystali attosekundowe impulsy miękkiego promieniowania rentgenowskiego, aby „zajrzeć do wnętrza materii”, a także pokazać stan materii za pomocą światła.

„Wymagania dotyczące spójnych badań, rozdzielczości czasu attosekundowego i synchronizacji attosekundowej między pompą a sondą są zupełnie nowe i stanowią zasadniczy wymóg w przypadku takich nowych badań, które umożliwia nauka o attosekundie” – zauważa pierwszy autor badania, Themis Sidiropoulos.

Dynamika elektronów w graficie

W przeciwieństwie do cewek elektronowych i skręconych dwuwarstw Grafen„Zamiast manipulować próbką, wzbudzamy optycznie materiał silnym impulsem światła, wzbudzając w ten sposób elektrony do stanów o wysokiej energii i obserwując, jak te elektrony relaksują się” w materiale, nie tylko indywidualnie, ale jako kompletny system monitoruj interakcja pomiędzy nośnikami ładunku a samą siecią.

Aby dowiedzieć się, jak elektrony w graficie rozluźniają się po zastosowaniu silnego impulsu światła, zbadali szerokie spektrum różnych poziomów energii. Obserwując ten układ, udało im się zaobserwować, że poziomy energii wszystkich nośników ładunku wskazują, że fotoprzewodnictwo materiału w pewnym momencie wzrasta, co wskazuje na sygnatury lub wspomnienia fazy nadprzewodzącej.

Obserwacja spójnych fononów

Jak mogli to zobaczyć? Właściwie w poprzednim poście zaobserwowali zachowanie spójnych (a nie przypadkowych) fononów lub zbiorowego wzbudzenia atomów w ciele stałym. Ponieważ grafit zawiera szereg bardzo silnych (wysokoenergetycznych) fononów, może skutecznie przenosić duże ilości energii z kryształu, nie uszkadzając materiału na skutek mechanicznych wibracji sieci. Ponieważ te spójne fonony poruszają się tam i z powrotem niczym fala, elektrony wewnątrz ciała stałego wydają się unosić na fali, generując sygnatury sztucznego nadprzewodnictwa, które zaobserwował zespół.

Implikacje i perspektywy na przyszłość

Wyniki tego badania wskazują na obiecujące zastosowania w dziedzinie fotonicznych układów scalonych lub obliczeń optycznych, wykorzystujących światło do manipulowania elektronami lub kontrolowania właściwości materiałów i manipulowania nimi za pomocą światła. Jak podsumowuje Jens Bigert: „Dynamika wielu ciał leży u podstaw i prawdopodobnie jest jednym z najtrudniejszych problemów współczesnej fizyki. Uzyskane tutaj wyniki otwierają nowy świat fizyki, oferując nowe sposoby badania i manipulowania wzajemnie połączonymi fazami materii w czasie rzeczywistym, co jest kluczowe dla nowoczesnych technologii.

Odniesienie: „Zwiększona przewodność optyczna i efekty wielu ciał w silnie fotokatalizowanym graficie półmetalicznym”, TPH Sidiropoulos i N. Di Palo, DE Rivas i A. Summersa i S. Sewerino i M. Reduzziego i J. Biegert, 16 listopada 2023, Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Notatki

1. „Napędzany podcyklem, miękki blat stołowy o wysokiej płynności Bodis, 14 września 2014, Litery optyki.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. „Spektroskopia drobnostrukturalna materiałów miękkich dyspersyjnych Barbara Buddis i Frank Coppins, 19 maja 2018 r., optyka.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. „Linie attosekundowe w oknie wodnym: nowy system charakteryzowania pulsacji attosekundowych” Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tiszman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2 listopada 2017, Przegląd fizyczny.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030