Attoscience verlicht de weg naar supergeleiding

Vooruitgang in attoseconde zachte röntgenspectroscopie door ICFO-onderzoekers heeft de materiaalanalyse getransformeerd, vooral in de studie van licht-materie-interacties en de dynamiek van veel lichamen, met veelbelovende implicaties voor toekomstige technologische toepassingen.

Röntgenabsorptiespectroscopie is een elementselectieve en elektronische toestandsgevoelige techniek en is een van de meest gebruikte analytische technieken om de structuur van stoffen of stoffen te bestuderen. Tot voor kort vereiste deze methode moeizame golflengtescanning en bood deze geen ultrasnelle temporele resolutie voor het bestuderen van elektronische dynamica.

De afgelopen tien jaar heeft de Attoscience and Ultrafast Optics-groep bij ICFO, onder leiding van ICREA-professor bij ICFO Jens Biegert h, attoseconde zachte röntgenabsorptiespectroscopie ontwikkeld tot een nieuw analytisch hulpmiddel zonder de noodzaak van scannen en met attoseconderesolutie.^[1,2]

Een doorbraak in attoseconde zachte röntgenspectroscopie

Attoseconde zachte röntgenpulsen met een duur van 23 tot 165 ft en een bijbehorende coherente zachte röntgenbandbreedte van 120 tot 600 eV^[3] Hierdoor kan de gehele elektronische structuur van het materiaal in één keer worden ondervraagd.

Het combineren van de tijdresolutie van real-time elektronische bewegingsdetectie en de coherente bandbreedte die registreert waar de verandering plaatsvindt, levert een geheel nieuw en krachtig hulpmiddel op voor de vaste-stoffysica en -chemie.

Door grafiet bloot te stellen aan een ultrakorte midden-infrarode laserpuls ontstaat een sterk geleidende hybride fase van fotonische materie, waarin optisch aangeslagen elektronen sterk zijn gekoppeld aan coherente fotonische fononen. Het observeren van zo’n sterke staat van meerdere lichamen, die optisch opgewonden is, wordt mogelijk gemaakt door de levensduur van aangeslagen elektronische toestanden te bestuderen met behulp van een zachte, attoseconde röntgenpuls. Krediet: ©ICFO

Een van de belangrijkste processen is de interactie van licht met materie, om bijvoorbeeld te begrijpen hoe zonne-energie in planten wordt geoogst of hoe een zonnecel zonlicht omzet in elektriciteit.

Een fundamenteel aspect van de materiaalkunde is de mogelijkheid dat de kwantumtoestand of functie van een materiaal of materie door licht kan worden veranderd. Dergelijk onderzoek naar de veeldeeltjesdynamiek van materialen richt zich op fundamentele uitdagingen in de hedendaagse natuurkunde, zoals wat een kwantumfase-overgang veroorzaakt, of hoe materiaaleigenschappen voortkomen uit microscopische interacties.

Dat blijkt uit recent onderzoek van onderzoekers van ICFO

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift NatuurcommunicatieICFO-onderzoekers Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi en Jens Bigert rapporteren het waarnemen van een door licht geïnduceerde toename en controle van de geleidbaarheid in grafiet door de multi-body-toestand van het materiaal te manipuleren.

Innovatieve meettechnieken

De onderzoekers gebruikten lichtpulsen met een stabiele subcyclus in de dragerfase en omhuld bij 1850 nm om de hybride toestand van het fotonische materiaal te induceren. Ze onderzochten de elektronische dynamica met behulp van attoseconde zachte röntgenpulsen met 165 km aan de koolstof K-rand van grafiet bij 285 eV. Attoseconde zachte röntgenabsorptiometrie ondervroeg de gehele elektronische structuur van het materiaal met attoseconde pomp-sondevertragingsstappen. De pomp bij 1850 nm induceerde een toestand met hoge geleidbaarheid in het materiaal, die alleen bestaat als gevolg van interactie met fotomaterie; Daarom wordt het lichte materie-hybride genoemd.

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in dergelijke omstandigheden omdat verwacht wordt dat ze aanleiding zullen geven tot kwantumeigenschappen van materialen die in geen enkele andere evenwichtstoestand bestaan, en deze kwantumtoestanden kunnen worden geschakeld met fundamentele optische snelheden van maximaal enkele terahertz.

Het is echter grotendeels onduidelijk hoe toestanden precies in materialen ontstaan. Daarom wordt er in recente rapporten veel gespeculeerd over door licht geïnduceerde supergeleiding en andere topologische fasen. ICFO-onderzoekers hebben voor het eerst attosecondepulsen van zachte röntgenstraling gebruikt om “in de materie te kijken” en ook de toestand van de materie met licht te laten zien.

“De vereisten voor coherent onderzoek, attoseconde-tijdresolutie en attoseconde-synchronisatie tussen pomp en sonde zijn volledig nieuw en een essentiële vereiste voor dergelijke nieuwe onderzoeken die mogelijk worden gemaakt door de attoseconde-wetenschap”, merkt de eerste auteur van het onderzoek, Themis Sidiropoulos, op.

Elektronendynamica in grafiet

In tegenstelling tot elektronenspoelen en gedraaide dubbellagen Grafeen“In plaats van het monster te manipuleren, exciteren we het materiaal optisch met een krachtige lichtpuls, waardoor we de elektronen opwekken tot toestanden met hoge energie en observeren hoe deze elektronen ontspannen” in het materiaal, niet alleen individueel, maar als een compleet systeem, monitoren we de interactie tussen ladingdragers en het netwerk zelf.

Om erachter te komen hoe de elektronen in grafiet ontspannen na een sterke lichtpuls, hebben ze een breed spectrum van verschillende energieniveaus gebruikt. Door dit systeem te observeren, konden ze zien dat de energieniveaus van alle ladingsdragers aangaven dat de fotogeleiding van het materiaal op een gegeven moment toenam, wat duidde op handtekeningen of herinneringen aan de supergeleidende fase.

Observatie van coherente fononen

Hoe konden ze dit zien? Nou ja, in een eerder bericht observeerden ze het gedrag van coherente (in plaats van willekeurige) fononen of de collectieve excitatie van atomen in een vaste stof. Omdat grafiet een reeks zeer sterke (hoge energie) fononen bevat, kan het op efficiënte wijze grote hoeveelheden energie van het kristal wegbrengen zonder het materiaal te beschadigen door de mechanische trillingen van het rooster. Omdat deze coherente fononen als een golf heen en weer bewegen, lijken de elektronen in de vaste stof op de golf te rijden, waardoor de kenmerken van kunstmatige supergeleiding ontstaan ​​die het team heeft waargenomen.

Implicaties en toekomstperspectieven

De resultaten van dit onderzoek laten veelbelovende toepassingen zien op het gebied van fotonische geïntegreerde schakelingen of optisch computergebruik, waarbij licht wordt gebruikt om elektronen te manipuleren of de eigenschappen van materialen te controleren en deze met licht te manipuleren. Zoals Jens Bigert concludeert: “De dynamiek van veel lichamen vormt de kern ervan, en misschien wel een van de meest uitdagende problemen in de hedendaagse natuurkunde. De resultaten die we hier hebben verkregen openen een nieuwe wereld van de natuurkunde en bieden nieuwe manieren om onderling verbonden fasen te onderzoeken en te manipuleren. van materie in realtime, wat cruciaal is voor moderne technologieën.

Referentie: “Verbeterde optische geleidbaarheid en veel-lichaamseffecten in sterk fotogekatalyseerd semi-metallisch grafiet” door TPH Sidiropoulos en N. Di Palo, D.E. Rivas en A. Zomers en S. Severino en M. Reduzzi en J. Biegert, 16 november 2023, Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Opmerkingen

1. “Een sub-cyclus aangedreven, high-flux tafelblad zacht Bodis, 14 september 2014, Optica brieven.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Fijne structuurspectroscopie van dispersief zacht Barbara Bodis en Frank Coppins, 19 mei 2018, optiek.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Attosecondelijnen in het watervenster: een nieuw systeem voor het karakteriseren van attosecondepulsatie” door Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. De Vita, A. Jens Bigert, 2 november 2017, Fysieke beoordeling.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030