Röntgenabsorptiespectroscopie is een elementselectieve en elektronische toestandgevoelige techniek die een van de meest gebruikte analytische technieken is om de samenstelling van materialen of stoffen te bestuderen. Tot voor kort vereiste de methode zware golflengtescans en bood deze geen ultrasnelle temporele resolutie om de elektronische dynamiek te bestuderen.

De afgelopen tien jaar heeft de Attoscience and Ultrafast Optics-groep bij ICFO onder leiding van ICREA Prof. bij ICFO Jens Biegert attoseconde zachte röntgenabsorptiespectroscopie ontwikkeld tot een nieuw analytisch hulpmiddel zonder de noodzaak van scannen en met attoseconde temporele resolutie. /P>

Attoseconde zachte röntgenpulsen met een duur tussen 23 attoseconden (as) en 165 as en een daarmee samenhangende coherente zachte röntgenbandbreedte van 120 tot 600 eV maken het mogelijk om de gehele elektronische structuur van een materiaal in één keer te ondervragen. De combinatie van tijdresolutie om elektronische beweging in realtime te detecteren en de coherente bandbreedte die registreert waar de verandering plaatsvindt, biedt een geheel nieuw en krachtig hulpmiddel voor de vastestoffysica en -chemie.

Een van de meest fundamenteel belangrijke processen is de interactie van licht met materie, bijvoorbeeld om te begrijpen hoe zonne-energie in planten wordt geoogst of hoe een zonnecel zonlicht omzet in elektriciteit. Een essentieel aspect van de materiaalwetenschap is het vooruitzicht om de kwantumtoestand, of de functie, van een materiaal of substantie met licht te veranderen.

Dergelijk onderzoek naar de dynamiek van materialen met meerdere lichamen richt zich op de kernuitdagingen in de hedendaagse natuurkunde, zoals wat een kwantumfaseovergang teweegbrengt of hoe eigenschappen van materialen voortkomen uit microscopische interacties.

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in Nature Communications ICFO-onderzoekers Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi en Jens Biegert rapporteren over het hebben waargenomen van een door licht geïnduceerde toename en controle van de geleidbaarheid in grafiet door de veeldeeltjestoestand van het materiaal te manipuleren. /P>

Attoseconde pompsondemeting van de lichte-materie-hybride

De onderzoekers gebruikten drager-envelop-fase-stabiele sub-2-cyclus optische pulsen bij 1850 nm om de hybride toestand van licht en materie te induceren. Ze onderzochten de elektronische dynamiek met zachte röntgenpulsen van attoseconden met een duur van 165 aan de koolstof K-rand van grafiet bij 285 eV. Bij de attoseconde zachte röntgenabsorptiemeting werd de gehele elektronische structuur van het materiaal ondervraagd met pomp-sondevertragingsstappen van attosecondeninterval.

De pomp bij 1850 nm induceerde een hoge geleidbaarheidstoestand in het materiaal, die alleen bestaat als gevolg van de interactie tussen licht en materie; daarom wordt het een lichte-materie-hybride genoemd.

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in dergelijke omstandigheden omdat verwacht wordt dat ze zullen leiden tot kwantumeigenschappen van materialen die anders in evenwicht niet bestaan, en deze kwantumtoestanden kunnen worden geschakeld met in essentie optische snelheden tot vele THz. Het is echter grotendeels onduidelijk hoe de toestanden zich precies manifesteren in materialen.

Er wordt dus veel gespeculeerd in recente rapporten over door licht geïnduceerde supergeleiding en andere topologische fasen. ICFO-onderzoekers gebruikten voor het eerst attosecondepulsen met zachte röntgenstralen om "in het materiaal te kijken" terwijl de toestand van de lichte materie zich manifesteert.

De eerste auteur van de studie, Themis Sidiropoulos, merkt op:"de vereiste voor coherent sonderen, attoseconde tijdresolutie en attoseconde synchronisatie tussen pomp en sonde is geheel nieuw en een essentiële vereiste voor dergelijk nieuw onderzoek, mogelijk gemaakt door de attoseconde wetenschap."

In tegenstelling tot twistronics en gedraaid dubbellaags grafeen, waarbij experimentatoren de monsters fysiek manipuleren om de veranderingen in de elektronische eigenschappen waar te nemen, legt Sidiropoulos uit dat "in plaats van het monster te manipuleren, we het materiaal optisch exciteren met een krachtige lichtpuls, waardoor de elektronen worden opgewonden tot hoge energie. staten en observeer hoe deze ontspannen in het materiaal, niet alleen individueel maar als een geheel systeem, waarbij je de interactie tussen deze ladingsdragers en het rooster zelf bekijkt."

Om te zien hoe de elektronen in het grafiet ontspanden nadat de sterke lichtpuls was toegepast, namen ze het brede röntgenspectrum in beslag en observeerden ten eerste hoe elke energietoestand afzonderlijk ontspande en ten tweede hoe het hele elektronensysteem werd opgewonden. observeer de interactie tussen meerdere lichamen tussen licht, dragers en kernen op verschillende energieniveaus.

Door dit systeem te observeren, konden ze zien dat de energieniveaus van alle ladingsdragers aangaven dat de optische geleidbaarheid van het materiaal op een gegeven moment toenam, wat tekenen of herinneringen aan een supergeleidingsfase vertoonde.

Hoe konden ze dit zien? In een eerdere publicatie observeerden ze zelfs het gedrag van coherente (niet willekeurige) fononen of de collectieve excitatie van de atomen in de vaste stof.

Omdat grafiet een reeks zeer sterke (hoge energie) fononen heeft, kunnen deze aanzienlijke hoeveelheden energie efficiënt van het kristal weg transporteren zonder het materiaal te beschadigen door mechanische trillingen van het rooster. En omdat deze coherente fononen heen en weer bewegen, als een golf, lijken de elektronen in de vaste stof op de golf te rijden, waardoor de kunstmatige supergeleidingssignaturen worden gegenereerd die het team heeft waargenomen.

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 materiaaleigenschappen met licht te controleren en te manipuleren.

Biegert zegt:‘De dynamiek van veel lichamen vormt de kern en is misschien wel een van de meest uitdagende problemen van de hedendaagse natuurkunde. De resultaten die we hier hebben verkregen openen een nieuw domein van de natuurkunde, dat nieuwe manieren biedt om gecorreleerde fasen van de natuurkunde te onderzoeken en te manipuleren. materie in realtime, die cruciaal zijn voor moderne technologieën."

Meer informatie: T. P. H. Sidiropoulos et al., Verbeterde optische geleidbaarheid en veel-lichaamseffecten in sterk aangedreven foto-geëxciteerde semi-metaalgrafiet, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43191-5

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door ICFO