Az attoscience megvilágítja az utat a szupravezetés felé

Az attoszekundumos lágy röntgenspektroszkópia terén az ICFO kutatói által elért fejlődés átalakította az anyagelemzést, különösen a fény-anyag kölcsönhatások és a sok test dinamikájának tanulmányozásában, ami ígéretes következményekkel jár a jövőbeli technológiai alkalmazások számára.

A röntgenabszorpciós spektroszkópia egy elemszelektív és elektronikus állapotérzékeny technika, és az egyik legszélesebb körben használt analitikai technika anyagok vagy anyagok szerkezetének tanulmányozására. Egészen a közelmúltig ez a módszer fáradságos hullámhossz-szkennelést igényelt, és nem biztosított ultragyors időbeli felbontást az elektronikus dinamika tanulmányozásához.

Az elmúlt évtizedben az ICFO Attoscience and Ultrafast Optics csoportja, amelyet az ICFO professzora, Jens Biegert h vezet, az attoszekundumos lágy röntgenabszorpciós spektroszkópiát egy új analitikai eszközzé fejlesztette szkennelés nélkül és attoszekundumos felbontással.^[1,2]

Áttörés az attoszekundumos lágy röntgenspektroszkópiában

Attoszekundumos lágy röntgenimpulzusok 23 és 165 láb közötti időtartammal és 120 és 600 eV közötti koherens lágy röntgen sávszélességgel^[3] Lehetővé teszi az anyag teljes elektronikus szerkezetének egyidejű lekérdezését.

A valós idejű elektronikus mozgásérzékelés időfelbontásának és a változás bekövetkezésének helyét rögzítő koherens sávszélesség kombinálása egy teljesen új és hatékony eszközt biztosít a szilárdtestfizika és -kémia számára.

A grafit ultrarövid közép-infravörös lézerimpulzus hatásának kitéve a fotonikus anyag nagy vezetőképességű hibrid fázisát eredményezi, amelyben az optikailag gerjesztett elektronok erősen kapcsolódnak koherens fotonikus fononokhoz. Az ilyen erős, optikailag gerjesztett többtestes állapot megfigyelését a gerjesztett elektronikus állapotok élettartamának vizsgálata teszi lehetővé lágy, attoszekundumos röntgenimpulzus segítségével. hitel: ©ICFO

Az egyik legfontosabb folyamat a fény és az anyag kölcsönhatása, például annak megértése, hogyan nyerik be a napenergiát a növényekben, vagy hogyan alakítja át a napelem a napfényt elektromos árammá.

Az anyagtudomány alapvető aspektusa annak lehetősége, hogy egy anyag vagy anyag kvantumállapota vagy funkciója fény hatására megváltozzon. Az anyagok soktest-dinamikájával kapcsolatos ilyen kutatások a kortárs fizika alapvető kihívásaival foglalkoznak, például azzal, hogy mi váltja ki a kvantumfázis-átalakulást, vagy hogyan keletkeznek az anyag tulajdonságai a mikroszkopikus kölcsönhatásokból.

Az ICFO kutatói által a közelmúltban végzett tanulmány

A magazinban megjelent friss tanulmányban Nature CommunicationsAz ICFO kutatói, Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi és Jens Bigert arról számoltak be, hogy a grafitban a vezetőképesség fény által kiváltott növekedését és szabályozását figyelték meg az anyag többtestes állapotának manipulálásával.

Innovatív mérési technikák

A kutatók a vivőfázisban stabil alciklusú, 1850 nm-en burkolt fényimpulzusokat használtak a fotonikus anyag hibrid állapotának indukálására. Vizsgálták az elektronikus dinamikát attoszekundumos lágy röntgenimpulzusok segítségével, 165 km-rel a grafit szén K élénél 285 eV-on. Az attoszekundumos lágy röntgenabszorpciós mérés az anyag teljes elektronikus szerkezetét lekérdezte attoszekundumos pumpa-szonda késleltetési lépésekkel. A szivattyú 1850 nm-en nagy vezetőképességű állapotot indukált az anyagban, ami csak a fotoanyag kölcsönhatás miatt létezik; Ezért nevezik könnyűanyag hibridnek.

A kutatókat azért érdeklik az ilyen körülmények, mert várhatóan olyan kvantumtulajdonságokat idéznek elő az anyagokban, amelyek más egyensúlyi állapotban nem léteznek, és ezek a kvantumállapotok akár több terahertzes alapvető optikai sebességgel is válthatók.

Az azonban nagyrészt tisztázatlan, hogy pontosan hogyan jelennek meg az állapotok az anyagokon belül. Ezért a legújabb jelentések sok spekulációt tartalmaznak a fény által kiváltott szupravezetésről és más topológiai fázisokról. Az ICFO kutatói először használták a lágy röntgensugárzás attoszekundumos impulzusait, hogy „bepillantsanak az anyagba”, és az anyag állapotát fénnyel is megmutassák.

„A koherens vizsgálatra, az attoszekundumos időfelbontásra és a szivattyú és a szonda közötti attoszekundumos szinkronizálásra vonatkozó követelmények teljesen újak, és elengedhetetlenek az attoszekundumos tudomány által lehetővé tett új vizsgálatokhoz” – jegyzi meg a tanulmány első szerzője, Themis Sidiropoulos.

Elektrondinamika a grafitban

Ellentétben az elektrontekercsekkel és a csavart kettősrétegekkel Grafén„A minta manipulálása helyett optikailag gerjesztjük az anyagot erőteljes fényimpulzussal, ezáltal az elektronokat nagy energiájú állapotokba gerjesztjük, és megfigyeljük, hogy ezek az elektronok hogyan ellazulnak” az anyagon belül, nemcsak külön-külön, hanem teljes rendszerként is figyelemmel kísérjük a kölcsönhatás a töltéshordozók és maga a hálózat között.

Annak kiderítésére, hogy a grafitban lévő elektronok hogyan lazultak el erős fényimpulzus hatására, a különböző energiaszintek széles spektrumát vették fel. Ennek a rendszernek a megfigyelésével láthatták, hogy az összes töltéshordozó energiaszintje azt jelzi, hogy az anyag fényvezető képessége valamikor megnőtt, jelezve a szupravezető fázis aláírásait vagy emlékeit.

Koherens fononok megfigyelése

Hogyan láthatták ezt? Nos, valójában egy korábbi bejegyzésben koherens (nem véletlenszerű) fononok viselkedését vagy az atomok kollektív gerjesztését figyelték meg egy szilárd testben. Mivel a grafit nagyon erős (nagy energiájú) fononokat tartalmaz, hatékonyan képes nagy mennyiségű energiát elvinni a kristálytól anélkül, hogy a rács mechanikai rezgései miatt károsítaná az anyagot. Mivel ezek a koherens fononok hullámszerűen mozognak ide-oda, a szilárd testben lévő elektronok úgy tűnik, hogy meglovagolják a hullámot, létrehozva a mesterséges szupravezetés jeleit, amelyeket a csapat megfigyelt.

Következmények és jövőbeli kilátások

A tanulmány eredményei ígéretes alkalmazásokat mutatnak be a fotonikus integrált áramkörök vagy az optikai számítástechnika területén, amelyek fényt használnak az elektronok manipulálására vagy az anyagok tulajdonságainak szabályozására és fénnyel történő manipulálására. Ahogy Jens Bigert összegzi: „A soktest dinamikája áll a középpontjában, és vitathatatlanul az egyik legnagyobb kihívást jelentő probléma a kortárs fizikaban. Az itt elért eredmények a fizika új világát nyitják meg, új módszereket kínálva az egymással összefüggő fázisok vizsgálatára és manipulálására. az anyag valós idejű, amely kulcsfontosságúak a modern technológiák számára.

Hivatkozás: TPH Sidiropoulos és N. „Megnövelt optikai vezetőképesség és sok test effektusa erősen fotokatalizált félig fémes grafitban”. Di Palo, D. E. Rivas és A. Summers és S. Severino és M. Reduzzi és J. Biegert, 2023. november 16. Nature Communications.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Megjegyzések

1. „Egy részciklus-vezérelt, nagy fluxusú asztallap puha Bodis, 2014. szeptember 14. Optikai levelek.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. „A diszperzív lágy finomszerkezeti spektroszkópiája Barbara Buddis és Frank Coppins, 2018. május 19. optika.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. „Attoszekundumos vonalak a vízablakban: új rendszer az attoszekundumos pulzáció jellemzésére”, Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2017. november 2. Fizikai áttekintés.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030