Pokroky v attosekundovej mäkkej röntgenovej spektroskopii výskumníkov ICFO transformovali analýzu materiálov, najmä pri štúdiu interakcií medzi svetlom a hmotou a dynamiky mnohých telies, so sľubnými dôsledkami pre budúce technologické aplikácie.

Röntgenová absorpčná spektroskopia je technika selektívna pre prvky a citlivá na elektronický stav a je jednou z najpoužívanejších analytických techník na štúdium štruktúry látok alebo látok. Až donedávna táto metóda vyžadovala pracné skenovanie vlnových dĺžok a neposkytovala ultrarýchle časové rozlíšenie na štúdium elektronickej dynamiky.

Počas posledného desaťročia skupina Attoscience and Ultrafast Optics v ICFO, vedená profesorom ICREA na ICFO Jensom Biegertom h, vyvinula attosekundovú mäkkú röntgenovú absorpčnú spektroskopiu do nového analytického nástroja bez potreby skenovania as rozlíšením attosekundy.^[1,2]

Prelom v attosekundovej mäkkej röntgenovej spektroskopii

Attosekundové mäkké röntgenové impulzy s trvaním 23 až 165 stôp a súvisiacou koherentnou šírkou pásma mäkkého röntgenového žiarenia 120 až 600 eV^[3] Umožňujúci naraz vypočúvať celú elektronickú štruktúru materiálu.

Kombinácia časového rozlíšenia elektronickej detekcie pohybu v reálnom čase a koherentnej šírky pásma, ktorá zaznamenáva, kde nastane zmena, poskytuje úplne nový a výkonný nástroj pre fyziku a chémiu pevných látok.

Vystavenie grafitu ultrakrátkym stredno-infračerveným laserovým impulzom vedie k vysoko vodivej hybridnej fáze fotonickej hmoty, v ktorej sú opticky excitované elektróny silne spojené s koherentnými fotonickými fonónmi. Pozorovanie takého silného viactelesového stavu, ktorý je opticky excitovaný, je umožnené štúdiom životnosti excitovaných elektronických stavov pomocou mäkkého, attosekundového röntgenového impulzu. Kredit: ©ICFO

Jedným z najdôležitejších procesov je interakcia svetla s hmotou, aby sme pochopili, ako sa slnečná energia získava v rastlinách alebo ako solárny článok premieňa slnečné svetlo na elektrinu.

Základným aspektom materiálovej vedy je možnosť, že kvantový stav alebo funkcia materiálu alebo hmoty môže byť zmenená svetlom. Takýto výskum mnohotelesovej dynamiky materiálov rieši základné výzvy súčasnej fyziky, ako napríklad to, čo spúšťa akýkoľvek kvantový fázový prechod alebo ako vlastnosti materiálu vznikajú z mikroskopických interakcií.

Nedávna štúdia vykonaná výskumníkmi z ICFO

V nedávnej štúdii uverejnenej v časopise Prírodné komunikácieVýskumníci ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi a Jens Bigert uvádzajú, že pozorujú svetlom indukované zvýšenie a kontrolu vodivosti v grafite manipuláciou s viactelesným stavom materiálu.

Inovatívne techniky merania

Výskumníci použili svetelné impulzy so stabilným podcyklom v nosnej fáze a obalené pri 1850 nm na vyvolanie hybridného stavu fotonického materiálu. Skúmali elektronickú dynamiku pomocou attosekundových mäkkých röntgenových impulzov so 165 km na uhlíkovom K okraji grafitu pri 285 eV. Attosekundová mäkká röntgenová absorpciometria skúmala celú elektronickú štruktúru materiálu v krokoch oneskorenia attosekundovej pumpy-sondy. Čerpadlo pri 1850 nm vyvolalo v materiáli stav vysokej vodivosti, ktorý existuje len vďaka interakcii fotohmoty; Preto sa nazýva hybrid ľahkej hmoty.

Výskumníci sa o takéto podmienky zaujímajú, pretože sa očakáva, že vyvolajú kvantové vlastnosti materiálov, ktoré neexistujú v žiadnom inom rovnovážnom stave, a tieto kvantové stavy je možné prepínať pri základných optických rýchlostiach až niekoľkých terahertzov.

Je však do značnej miery nejasné, ako presne stavy vznikajú v materiáloch. Preto v nedávnych správach existuje veľa špekulácií o svetlom indukovanej supravodivosti a iných topologických fázach. Výskumníci ICFO prvýkrát použili attosekundové impulzy mäkkých röntgenových lúčov na „pohľad do vnútra hmoty“ a tiež na zobrazenie stavu hmoty svetlom.

„Požiadavky na koherentné skúmanie, rozlíšenie v attosekundovom čase a synchronizáciu attosekundy medzi pumpou a sondou sú úplne nové a sú základnou požiadavkou pre takéto nové výskumy, ktoré umožňuje attosekundová veda,“ poznamenáva prvý autor štúdie Themis Sidiropoulos.

Dynamika elektrónov v grafite

Na rozdiel od elektrónových cievok a skrútených dvojvrstiev Grafén„Namiesto manipulácie so vzorkou opticky excitujeme materiál silným impulzom svetla, čím vzbudíme elektróny do vysokoenergetických stavov a sledujeme, ako sa tieto elektróny uvoľňujú“ v materiáli, a to nielen jednotlivo, ale ako kompletný systém monitorujeme interakcie medzi nosičmi náboja a samotnou sieťou.

Aby zistili, ako sa elektróny v grafite uvoľnili po aplikácii silného pulzu svetla, použili široké spektrum rôznych energetických hladín. Pozorovaním tohto systému boli schopní vidieť, že energetické hladiny všetkých nosičov náboja naznačujú, že fotovodivosť materiálu sa v určitom bode zvýšila, čo naznačuje podpisy alebo spomienky supravodivej fázy.

Pozorovanie koherentných fonónov

Ako to mohli vidieť? V skutočnosti v predchádzajúcom príspevku pozorovali správanie koherentných (skôr než náhodných) fonónov alebo kolektívne budenie atómov v pevnej látke. Pretože grafit obsahuje pole veľmi silných (vysokoenergetických) fonónov, dokáže efektívne prenášať veľké množstvo energie preč z kryštálu bez poškodenia materiálu mechanickými vibráciami mriežky. Pretože sa tieto koherentné fonóny pohybujú tam a späť, ako vlna, zdá sa, že elektróny vo vnútri pevnej látky jazdia na vlne a vytvárajú znaky umelej supravodivosti, ktorú tím pozoroval.

Dôsledky a vyhliadky do budúcnosti

Výsledky tejto štúdie ukazujú sľubné aplikácie v oblasti fotonických integrovaných obvodov alebo optických výpočtov, využívajúcich svetlo na manipuláciu s elektrónmi alebo riadenie vlastností materiálov a manipuláciu s nimi svetlom. Ako uzatvára Jens Bigert: „Dynamika mnohých telies je jej jadrom a je pravdepodobne jedným z najnáročnejších problémov súčasnej fyziky. Výsledky, ktoré sme tu získali, otvárajú nový svet fyziky a ponúkajú nové spôsoby skúmania a manipulácie prepojených fáz. hmoty v reálnom čase, čo sú kľúčové pre moderné technológie.

Odkaz: „Zvýšená optická vodivosť a efekty mnohých telies v silne fotokatalyzovanom semikovovom grafite“ od TPH Sidiropoulos a N. Di Palo, D. E. Rivas a A. Summers a S. Severino a M. Reduzzi a J. Biegert, 16. novembra 2023, Prírodné komunikácie.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Poznámky

1. „Mäkká stolová doska s vysokým prietokom riadená podcyklami Bodis, 14. septembra 2014, Optika listy.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. „Spektroskopia jemnej štruktúry disperzného mäkkého Barbara Buddis a Frank Coppins, 19. mája 2018, optika.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. „Attosekundové čiary vo vodnom okne: nový systém na charakterizáciu attosekundovej pulzácie“ od Setha L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2. novembra 2017, Fyzický prehľad.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030