Η Attoscience φωτίζει το δρόμο προς την υπεραγωγιμότητα

Οι πρόοδοι στη φασματοσκοπία ακτίνων Χ attosecond από ερευνητές της ICFO έχουν μεταμορφώσει την ανάλυση υλικών, ιδιαίτερα στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης και της δυναμικής πολλών σωμάτων, με πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα για μελλοντικές τεχνολογικές εφαρμογές.

Η φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ είναι μια τεχνική επιλεκτική και ευαίσθητη στην ηλεκτρονική κατάσταση και είναι μια από τις πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες αναλυτικές τεχνικές για τη μελέτη της δομής ουσιών ή ουσιών. Μέχρι πρόσφατα, αυτή η μέθοδος απαιτούσε επίπονη σάρωση μήκους κύματος και δεν παρείχε εξαιρετικά γρήγορη χρονική ανάλυση για τη μελέτη της ηλεκτρονικής δυναμικής.

Την τελευταία δεκαετία, ο όμιλος Attoscience and Ultrafast Optics στο ICFO, με επικεφαλής τον καθηγητή ICREA στο ICFO Jens Biegert h, ανέπτυξε τη φασματοσκοπία απορρόφησης ακτίνων Χ attosecond σε ένα νέο αναλυτικό εργαλείο χωρίς την ανάγκη σάρωσης και με ανάλυση attosecond.^[1,2]

Μια σημαντική ανακάλυψη στη φασματοσκοπία μαλακών ακτίνων Χ attosecond

Απαλοί παλμοί ακτίνων Χ Attosecond με διάρκεια 23 έως 165 ft και σχετικό συνεκτικό εύρος ζώνης μαλακών ακτίνων Χ 120 έως 600 eV^[3] Επιτρέποντας την άμεση ανάκριση ολόκληρης της ηλεκτρονικής δομής του υλικού.

Ο συνδυασμός της ανάλυσης χρόνου της ηλεκτρονικής ανίχνευσης κίνησης σε πραγματικό χρόνο και του συνεκτικού εύρους ζώνης που καταγράφει όπου συμβαίνει η αλλαγή παρέχει ένα εντελώς νέο και ισχυρό εργαλείο για τη φυσική και τη χημεία στερεάς κατάστασης.

Η έκθεση του γραφίτη σε έναν υπερμικρό παλμό λέιζερ μεσαίου υπέρυθρου δημιουργεί μια εξαιρετικά αγώγιμη υβριδική φάση φωτονικής ύλης, στην οποία τα οπτικά διεγερμένα ηλεκτρόνια συνδέονται ισχυρά με συνεκτικά φωτονικά φωνόνια. Η παρατήρηση μιας τόσο ισχυρής κατάστασης πολλαπλών σωμάτων, η οποία διεγείρεται οπτικά, καθίσταται δυνατή με τη μελέτη της διάρκειας ζωής των διεγερμένων ηλεκτρονικών καταστάσεων χρησιμοποιώντας έναν απαλό παλμό ακτίνων Χ attosecond. Πίστωση: ©ICFO

Μια από τις πιο θεμελιώδεις διαδικασίες είναι η αλληλεπίδραση του φωτός με την ύλη, για παράδειγμα, για να κατανοήσουμε πώς συλλέγεται η ηλιακή ενέργεια στα φυτά ή πώς μια ηλιακή κυψέλη μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική.

Μια θεμελιώδης πτυχή της επιστήμης των υλικών είναι η πιθανότητα ότι η κβαντική κατάσταση ή η λειτουργία ενός υλικού ή ύλης μπορεί να αλλάξει από το φως. Μια τέτοια έρευνα στη δυναμική των πολλών σωμάτων των υλικών αντιμετωπίζει θεμελιώδεις προκλήσεις στη σύγχρονη φυσική, όπως τι πυροδοτεί οποιαδήποτε μετάβαση κβαντικής φάσης ή πώς οι ιδιότητες των υλικών προκύπτουν από μικροσκοπικές αλληλεπιδράσεις.

Μια πρόσφατη μελέτη που διεξήχθη από ερευνητές από το ICFO

Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Επικοινωνίες για τη φύσηΟι ερευνητές της ICFO, Θέμης Σιδερόπουλος, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi και Jens Bigert αναφέρουν ότι παρατηρούν μια επαγόμενη από το φως και ελεγχόμενη αύξηση της αγωγιμότητας στον γραφίτη χειραγωγώντας την κατάσταση πολλαπλών σωμάτων του υλικού.

Καινοτόμες τεχνικές μέτρησης

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν παλμούς φωτός με σταθερό υποκύκλο στη φάση φορέα και περιβλήθηκαν στα 1850 nm για να προκαλέσουν την υβριδική κατάσταση του φωτονικού υλικού. Διερεύνησαν την ηλεκτρονική δυναμική χρησιμοποιώντας μαλακούς παλμούς ακτίνων Χ attosecond με 165 km στην άκρη άνθρακα K του γραφίτη στα 285 eV. Η μαλακή απορρόφηση ακτίνων Χ Attosecond διερεύνησε ολόκληρη την ηλεκτρονική δομή του υλικού σε βήματα καθυστέρησης αντλίας-ανιχνευτή attosecond. Η αντλία στα 1850 nm προκάλεσε μια κατάσταση υψηλής αγωγιμότητας στο υλικό, η οποία υπάρχει μόνο λόγω της αλληλεπίδρασης της φωτούλης. Ως εκ τούτου ονομάζεται υβρίδιο ελαφριάς ύλης.

Οι ερευνητές ενδιαφέρονται για τέτοιες συνθήκες επειδή αναμένεται να προκαλέσουν κβαντικές ιδιότητες υλικών που δεν υπάρχουν σε καμία άλλη κατάσταση ισορροπίας και αυτές οι κβαντικές καταστάσεις μπορούν να αλλάξουν με θεμελιώδεις οπτικές ταχύτητες έως και αρκετών terahertz.

Ωστόσο, είναι σε μεγάλο βαθμό ασαφές πώς ακριβώς προκύπτουν καταστάσεις μέσα στα υλικά. Ως εκ τούτου, υπάρχουν πολλές εικασίες σε πρόσφατες αναφορές σχετικά με την επαγόμενη από το φως υπεραγωγιμότητα και άλλες τοπολογικές φάσεις. Οι ερευνητές του ICFO χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά παλμούς μαλακών ακτίνων Χ του δευτερολέπτου για να «κοιτάξουν μέσα στην ύλη» και επίσης να δείξουν την κατάσταση της ύλης με το φως.

«Οι απαιτήσεις για συνεκτική διερεύνηση, ανάλυση χρόνου attosecond και συγχρονισμό attosecond μεταξύ αντλίας και ανιχνευτή είναι εντελώς νέες και απαραίτητη προϋπόθεση για τέτοιες νέες έρευνες που επιτρέπονται από την attosecond Science», σημειώνει ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Θέμης Σιδηρόπουλος.

Δυναμική ηλεκτρονίων στον γραφίτη

Σε αντίθεση με τα πηνία ηλεκτρονίων και τις στριμμένες διπλές στοιβάδες Γραφένιο“Αντί να χειριζόμαστε το δείγμα, διεγείρουμε οπτικά το υλικό με έναν ισχυρό παλμό φωτός, διεγείροντας έτσι τα ηλεκτρόνια σε καταστάσεις υψηλής ενέργειας και παρατηρώντας πώς αυτά τα ηλεκτρόνια χαλαρώνουν” εντός του υλικού, όχι μόνο μεμονωμένα αλλά ως πλήρες σύστημα, παρακολουθούμε την αλληλεπίδραση μεταξύ φορέων φόρτισης και του ίδιου του δικτύου.

Για να μάθουν πώς τα ηλεκτρόνια στον γραφίτη χαλάρωσαν μετά την εφαρμογή ενός ισχυρού παλμού φωτός, πήραν ένα ευρύ φάσμα Διαφορετικών επιπέδων ενέργειας. Παρατηρώντας αυτό το σύστημα, μπόρεσαν να δουν ότι τα επίπεδα ενέργειας όλων των φορέων φορτίου έδειχναν ότι η φωτοαγωγιμότητα του υλικού αυξήθηκε σε κάποιο σημείο, υποδεικνύοντας υπογραφές ή μνήμες της υπεραγώγιμης φάσης.

Παρατήρηση συνεκτικών φθόγγων

Πώς μπόρεσαν να το δουν αυτό; Λοιπόν, στην πραγματικότητα, σε μια προηγούμενη ανάρτηση, παρατήρησαν τη συμπεριφορά συνεκτικών (και όχι τυχαίων) φωνονίων ή τη συλλογική διέγερση ατόμων μέσα σε ένα στερεό. Επειδή ο γραφίτης περιέχει μια σειρά από πολύ ισχυρά (υψηλής ενέργειας) φωνόνια, μπορεί να μεταφέρει αποτελεσματικά μεγάλες ποσότητες ενέργειας μακριά από τον κρύσταλλο χωρίς να καταστρέψει το υλικό μέσω των μηχανικών δονήσεων του πλέγματος. Επειδή αυτά τα συνεκτικά φωνόνια κινούνται μπρος-πίσω, όπως ένα κύμα, τα ηλεκτρόνια μέσα στο στερεό φαίνεται να οδηγούν το κύμα, δημιουργώντας τις υπογραφές της τεχνητής υπεραγωγιμότητας που παρατήρησε η ομάδα.

Συνέπειες και μελλοντικές προοπτικές

Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δείχνουν πολλά υποσχόμενες εφαρμογές στον τομέα των φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ή των οπτικών υπολογιστών, χρησιμοποιώντας το φως για το χειρισμό ηλεκτρονίων ή τον έλεγχο των ιδιοτήτων των υλικών και τον χειρισμό τους με το φως. Όπως συμπεραίνει ο Jens Bigert, “Η δυναμική πολλών σωμάτων βρίσκεται στον πυρήνα της, και αναμφισβήτητα ένα από τα πιο απαιτητικά προβλήματα στη σύγχρονη φυσική. Τα αποτελέσματα που έχουμε εδώ ανοίγουν έναν νέο κόσμο της φυσικής, προσφέροντας νέους τρόπους διερεύνησης και χειρισμού διασυνδεδεμένων φάσεων της ύλης σε πραγματικό χρόνο, η οποία Είναι ζωτικής σημασίας για τις σύγχρονες τεχνολογίες.

Αναφορά: «Ενισχυμένη οπτική αγωγιμότητα και εφέ πολλών σωμάτων σε έντονα φωτοκαταλυόμενο ημι-μεταλλικό γραφίτη» από τους TPH Sidiropoulos και N. Di Palo, D. E. Rivas και A. Καλοκαίρια και Σ. Σεβερίνο και Μ. Reduzzi και J. Biegert, 16 Νοεμβρίου 2023, Επικοινωνίες για τη φύση.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Σημειώσεις

1. «Ένα μαλακό επιτραπέζιο με κίνηση σε υποκύκλο, υψηλής ροής Bodis, 14 Σεπτεμβρίου 2014, Γράμματα Οπτικής.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. «Φασματοσκοπία λεπτής δομής του μαλακού διασποράς Barbara Bodis και Frank Coppins, 19 Μαΐου 2018, οπτική.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. «Γραμμές Attosecond στο παράθυρο του νερού: ένα νέο σύστημα για τον χαρακτηρισμό των παλμών attosecond» από τον Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, Μ. Ρεντούτσι, Μ. DeVita, Α. Jens Bigert, 2 Νοεμβρίου 2017, Φυσική ανασκόπηση.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030