Attoscience прокладывает путь к сверхпроводимости

Достижения исследователей ICFO в области аттосекундной мягкой рентгеновской спектроскопии изменили анализ материалов, особенно в изучении взаимодействия света и материи и динамики многих тел, что имеет многообещающие последствия для будущих технологических приложений.

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия представляет собой метод, селективный по элементам и чувствительный к электронному состоянию, и является одним из наиболее широко используемых аналитических методов для изучения структуры веществ или веществ. До недавнего времени этот метод требовал трудоемкого сканирования по длине волны и не обеспечивал сверхбыстрого временного разрешения для изучения электронной динамики.

За последнее десятилетие группа Attoscience и Ultrafast Optics в ICFO под руководством профессора ICREA Йенса Бигерта разработала аттосекундную спектроскопию мягкого рентгеновского поглощения в новый аналитический инструмент без необходимости сканирования и с аттосекундным разрешением.^[1,2]

Прорыв в аттосекундной мягкой рентгеновской спектроскопии

Аттосекундные импульсы мягкого рентгеновского излучения длительностью от 23 до 165 футов и связанной с ним полосой пропускания когерентного мягкого рентгеновского излучения от 120 до 600 эВ.^[3] Позволяет одновременно исследовать всю электронную структуру материала.

Сочетание временного разрешения электронного обнаружения движения в реальном времени и когерентной полосы пропускания, фиксирующей место возникновения изменения, обеспечивает совершенно новый и мощный инструмент для физики и химии твердого тела.

Воздействие на графит ультракоротким лазерным импульсом среднего инфракрасного диапазона приводит к образованию высокопроводящей гибридной фазы фотонной материи, в которой оптически возбужденные электроны сильно связаны с когерентными фотонными фононами. Наблюдение такого сильного многотельного состояния, которое является оптически возбужденным, стало возможным благодаря изучению времени жизни возбужденных электронных состояний с использованием мягкого аттосекундного рентгеновского импульса. Фото: ©ICFO

Одним из наиболее важных процессов является взаимодействие света с веществом, например, чтобы понять, как солнечная энергия собирается в растениях или как солнечный элемент преобразует солнечный свет в электричество.

Фундаментальным аспектом материаловедения является возможность того, что квантовое состояние или функция материала или материи может быть изменено светом. Такие исследования динамики материалов многих тел решают фундаментальные проблемы современной физики, например, что вызывает любой квантовый фазовый переход или как свойства материала возникают в результате микроскопических взаимодействий.

Недавнее исследование, проведенное учеными из ICFO

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Природные коммуникацииИсследователи ICFO Фемис Сидиропулос, Никола Ди Пало, Адам Саммерс, Стефано Северино, Маурицио Редуцци и Йенс Бигерт сообщают о наблюдении светового увеличения и контроля проводимости в графите путем манипулирования многочастичным состоянием материала.

Инновационные методы измерения

Исследователи использовали световые импульсы со стабильным субциклом в несущей фазе и длиной волны 1850 нм, чтобы индуцировать гибридное состояние фотонного материала. Они исследовали электронную динамику с использованием аттосекундных импульсов мягкого рентгеновского излучения с длиной волны 165 км на углеродном K-крае графита при энергии 285 эВ. Аттосекундная мягкая рентгеновская абсорбциометрия исследовала всю электронную структуру материала с аттосекундными шагами задержки накачки-зонда. Накачка на длине волны 1850 нм индуцировала в материале состояние высокой проводимости, которое существует только за счет взаимодействия фотовещества; Поэтому его называют гибридом легкой материи.

Исследователи заинтересованы в таких условиях, поскольку ожидается, что они приведут к возникновению квантовых свойств материалов, которые не существуют ни в каком другом равновесном состоянии, и эти квантовые состояния могут переключаться с фундаментальными оптическими скоростями до нескольких терагерц.

Однако во многом неясно, как именно состояния возникают внутри материалов. Следовательно, в недавних отчетах много спекуляций о светоиндуцированной сверхпроводимости и других топологических фазах. Исследователи ICFO впервые использовали аттосекундные импульсы мягкого рентгеновского излучения, чтобы «заглянуть внутрь материи», а также показать состояние материи с помощью света.

«Требования к последовательному исследованию, аттосекундному временному разрешению и аттосекундной синхронизации между насосом и зондом являются совершенно новыми и являются важным требованием для таких новых исследований, проводимых аттосекундной наукой», — отмечает первый автор исследования Темис Сидиропулос.

Динамика электронов в графите

В отличие от электронных катушек и скрученных бислоев Графен«Вместо того, чтобы манипулировать образцом, мы оптически возбуждаем материал мощным импульсом света, тем самым переводя электроны в высокоэнергетические состояния и наблюдая, как эти электроны релаксируют» внутри материала, не только по отдельности, но и как целостная система, контролирующая взаимодействие носителей заряда и самой сети.

Чтобы выяснить, как электроны в графите расслабляются после воздействия сильного импульса света, они взяли широкий спектр различных энергетических уровней. Наблюдая за этой системой, они смогли увидеть, что уровни энергии всех носителей заряда указывают на то, что фотопроводимость материала в какой-то момент увеличивается, указывая на признаки или воспоминания о сверхпроводящей фазе.

Наблюдение когерентных фононов

Как они смогли это увидеть? Ну, вообще-то, в предыдущем посте они наблюдали поведение когерентных (а не случайных) фононов или коллективного возбуждения атомов внутри твердого тела. Поскольку графит содержит массив очень сильных (высокоэнергетических) фононов, он может эффективно передавать большое количество энергии от кристалла, не повреждая материал за счет механических колебаний решетки. Поскольку эти когерентные фононы движутся вперед и назад, как волна, кажется, что электроны внутри твердого тела движутся на волне, генерируя признаки искусственной сверхпроводимости, которые наблюдала команда.

Последствия и будущие перспективы

Результаты этого исследования показывают многообещающие применения в области фотонных интегральных схем или оптических вычислений, используя свет для манипулирования электронами или управления свойствами материалов и манипулирования ими с помощью света. Как заключает Йенс Бигерт, «Динамика многих тел лежит в ее основе и, возможно, является одной из самых сложных проблем современной физики. Результаты, которые мы получили здесь, открывают новый мир физики, предлагая новые способы исследования и управления взаимосвязанными фазами». материи в реальном времени, что имеет решающее значение для современных технологий.

Ссылка: «Повышенная оптическая проводимость и эффекты многих тел в сильно фотокаталитическом полуметаллическом графите», авторы TPH Сидиропулос и Н. Ди Пало, Д. Э. Ривас и А. Саммерс и С. Северино и М. Редуцци и Дж. Бигерт, 16 ноября 2023 г., Природные коммуникации.
дои: 10.1038/s41467-023-43191-5

Примечания

1. «Настольный мягкий прибор с субцикловым приводом и высоким потоком. Бодис, 14 сентября 2014 г., Оптика Буквы.
   дои:10.1364/OL.39.005383
2. «Спектроскопия тонкой структуры дисперсионных мягких Барбара Бодис и Фрэнк Коппинс, 19 мая 2018 г., оптика.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. «Аттосекундные линии в водном окне: новая система для характеристики аттосекундной пульсации», Сет Л. Козин, Никола Ди Пало, Барбара Бодис, Стефан М. Тишман, М. Редуцци, М. ДеВита, А. Йенс Бигерт, 2 ноября 2017 г., Физический обзор.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030