Röntgenabsorptionsspektroskopi är en elementselektiv och elektronisk tillståndskänslig teknik som är en av de mest använda analytiska teknikerna för att studera sammansättningen av material eller ämnen. Tills nyligen krävde metoden mödosam våglängdsskanning och gav inte ultrasnabb tidsupplösning för att studera elektronisk dynamik.
Under det senaste decenniet har Attoscience and Ultrafast Optics-gruppen vid ICFO, ledd av ICREA-professorn vid ICFO Jens Biegert, utvecklat attosecond soft-röntgenabsorptionsspektroskopi till ett nytt analytiskt verktyg utan behov av skanning och med attosecond temporal resolution.
Attosecond-mjukröntgenpulser med en varaktighet mellan 23 attosekunder (as) och 165 as och åtföljande koherent mjuk-röntgenbandbredd från 120 till 600 eV tillåter utfrågning av hela den elektroniska strukturen av ett material på en gång. Kombinationen av tidsupplösning för att detektera elektronisk rörelse i realtid och den koherenta bandbredden som registrerar var förändringen sker ger ett helt nytt och kraftfullt verktyg för fasta tillståndets fysik och kemi.
En av de mest fundamentalt viktiga processerna är ljusets interaktion med materia, till exempel för att förstå hur solenergi skördas i växter eller hur en solcell omvandlar solljus till elektricitet. En väsentlig aspekt av materialvetenskap är möjligheten att förändra kvanttillståndet, eller funktionen, hos ett material eller ämne med ljus.
Sådan forskning om material med många kroppars dynamik tar upp kärnutmaningar i samtida fysik, till exempel vad som utlöser en kvantfasövergång eller hur egenskaper hos material uppstår från mikroskopiska interaktioner.
I en nyligen publicerad studie publicerad i Nature Communications , ICFO-forskare Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi och Jens Biegert rapporterar att de har observerat en ljusinducerad ökning och kontroll av konduktiviteten i grafit genom att manipulera materialets många kroppstillstånd.
Forskarna använde bärar-hölje-fas-stabila sub-2-cykel optiska pulser vid 1850 nm för att inducera ljus-materia hybridtillstånd. De undersökte den elektroniska dynamiken med attoseconds mjuka röntgenpulser med 165 som varaktighet vid kol K-kanten av grafit vid 285 eV. Attosekundens mjukröntgenabsorptionsmätning undersökte hela den elektroniska strukturen av materialet med attosecond-intervall pump-probe fördröjningssteg.
Pumpen vid 1850 nm inducerade ett högkonduktivitetstillstånd i materialet, vilket endast existerar på grund av ljus-materia-interaktionen; därför kallas det en hybrid av lätt materia.
Forskare är intresserade av sådana förhållanden eftersom de förväntas leda till kvantegenskaper hos material som annars inte existerar i jämvikt, och dessa kvanttillstånd kan växlas med i huvudsak optiska hastigheter upp till många THz. Det är dock i stort sett oklart hur tillstånden exakt manifesterar sig inuti material.
Sålunda existerar mycket spekulationer i nyare rapporter om ljusinducerad supraledning och andra topologiska faser. ICFO-forskare använde soft-röntgenattosekundspulser för första gången för att "se inuti materialet" när ljus-materia-tillståndet manifesterar sig.
Den första författaren till studien, Themis Sidiropoulos, noterar, "kravet på koherent sondering, attosecond-tidsupplösning och attosecond-synkronisering mellan pump och sond är helt nytt och ett väsentligt krav för sådana nya undersökningar som möjliggörs av attosecond-vetenskap."
Till skillnad från twistronics och vriden dubbelskiktsgrafen, där experimentalister manipulerar proverna fysiskt för att observera förändringarna i de elektroniska egenskaperna, förklarar Sidiropoulos att "istället för att manipulera provet exciterar vi optiskt materialet med en kraftfull ljuspuls, och exciterar därmed elektronerna till hög energi. tillstånd och observera hur dessa slappnar av i materialet, inte bara individuellt utan som ett helt system, och tittar på interaktionen mellan dessa laddningsbärare och själva gittret."
För att se hur elektronerna i grafiten slappnade av efter att den starka ljuspulsen applicerats tog de det breda röntgenspektrumet och observerade för det första hur varje energitillstånd slappnade av individuellt och för det andra hur hela elektronsystemet exciterades, för att observera många kroppsinteraktioner mellan ljus, bärare och kärnor på olika energinivåer.
Genom att observera detta system kunde de se att energinivåerna för alla laddningsbärare indikerade att materialets optiska konduktivitet ökade vid en punkt, vilket visade signaturer eller påminner om en supraledningsfas.
Hur kunde de se detta? Tja, faktiskt, i en tidigare publikation observerade de beteendet hos koherenta (inte slumpmässiga) fononer eller kollektiv excitation av atomerna i det fasta ämnet.
Eftersom grafit har en rad mycket starka (högenergi) fononer, kan dessa effektivt transportera betydande mängder energi bort från kristallen utan att skada materialet genom mekaniska vibrationer i gittret. Och eftersom dessa koherenta fononer rör sig fram och tillbaka, som en våg, tycks elektronerna i det fasta ämnet rida på vågen och genererar de konstgjorda supraledningssignaturer som teamet observerade.
Resultaten av denna studie visar lovande tillämpningar inom området fotoniska integrerade kretsar eller optisk beräkning, med användning av ljus för att manipulera elektroner eller styra och manipulera materialegenskaper med ljus.
Biegert säger:"Mångkroppsdynamik är kärnan och, utan tvekan, ett av de mest utmanande problemen inom samtida fysik. Resultaten vi har erhållit här öppnar en ny värld av fysiken, och erbjuder nya sätt att undersöka och manipulera korrelerade faser av materia i realtid, vilket är avgörande för modern teknik."
Mer information: T.P.H. Sidiropoulos et al, Förbättrad optisk ledningsförmåga och många kroppseffekter i starkt driven fotoexciterad semimetallisk grafit, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43191-5
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av ICFO
