Аттосциенце осветљава пут до суперпроводљивости

Напредак атосекундне меке рендгенске спектроскопије истраживача ИЦФО трансформисао је анализу материјала, посебно у проучавању интеракција светлости и материје и динамике многих тела, са обећавајућим импликацијама за будуће технолошке примене.

Апсорпциона спектроскопија рендгенских зрака је техника селективна на елементе и техника осетљива на електронско стање, и једна је од најчешће коришћених аналитичких техника за проучавање структуре супстанци или супстанци. До недавно, овај метод је захтевао напорно скенирање таласне дужине и није обезбедио ултрабрзу временску резолуцију за проучавање електронске динамике.

Током протекле деценије, група Аттосциенце анд Ултрафаст Оптицс у ИЦФО, коју води ИЦРЕА професор на ИЦФО Јенс Биегерт х, развила је атосекундну меку апсорпциону спектроскопију рендгенских зрака у нови аналитички алат без потребе за скенирањем и са резолуцијом атосекунде.^[1,2]

Пробој у атосекундној мекој рендгенској спектроскопији

Атосекундни меки рендгенски импулси са трајањем од 23 до 165 стопа и повезаним кохерентним меким рендгенским пропусним опсегом од 120 до 600 еВ^[3] Омогућавање да се целокупна електронска структура материјала испита одједном.

Комбиновање временске резолуције електронске детекције покрета у реалном времену и кохерентног пропусног опсега који бележи где се промена дешава пружа потпуно нов и моћан алат за физику и хемију чврстог стања.

Излагање графита ултракратком средњем инфрацрвеном ласерском пулсу доводи до високо проводљиве хибридне фазе фотонске материје, у којој су оптички побуђени електрони снажно повезани са кохерентним фотонским фононима. Посматрање тако снажног стања више тела, које је оптички побуђено, омогућено је проучавањем животног века побуђених електронских стања коришћењем меког, атосекундног рендгенског пулса. Кредит: ©ИЦФО

Један од најважнијих процеса је интеракција светлости са материјом, на пример, да би се разумело како се соларна енергија сакупља у биљкама или како соларна ћелија претвара сунчеву светлост у електричну енергију.

Фундаментални аспект науке о материјалима је могућност да се квантно стање, или функција, материјала или материје може променити светлошћу. Такво истраживање динамике материјала са више тела бави се фундаменталним изазовима у савременој физици, као што је шта покреће било какву квантну фазну транзицију, или како својства материјала настају из микроскопских интеракција.

Недавна студија коју су спровели истраживачи из ИЦФО-а

У недавној студији објављеној у часопису Натуре ЦоммуницатионсИстраживачи ИЦФО-а Тхемис Сидиропоулос, Ницола Ди Пало, Адам Суммерс, Стефано Северино, Мауризио Редуззи и Јенс Бигерт извештавају да су посматрали повећање и контролу проводљивости у графиту изазвано светлом манипулисањем вишеструким стањем материјала.

Иновативне технике мерења

Истраживачи су користили светлосне импулсе са стабилним подциклусом у фази носиоца и омотаним на 1850 нм да би изазвали хибридно стање фотонског материјала. Они су истраживали електронску динамику користећи атосекундне меке рендгенске импулсе са 165 км на ивици угљеника К графита на 285 еВ. Аттосекундна мека рендгенска апсорпциометрија испитала је целокупну електронску структуру материјала у корацима кашњења атосекундне пумпе и сонде. Пумпа на 1850 нм изазвала је стање високе проводљивости у материјалу, које постоји само због интеракције фотоматерија; Због тога се назива хибрид лаке материје.

Истраживачи су заинтересовани за такве услове јер се од њих очекује да доведу до квантних својстава материјала који не постоје ни у једном другом стању равнотеже, а ова квантна стања се могу мењати при основним оптичким брзинама до неколико терахерца.

Међутим, углавном је нејасно како се тачно државе појављују у материјалима. Отуда, у недавним извештајима постоји много спекулација о супрапроводљивости изазваној светлошћу и другим тополошким фазама. Истраживачи ИЦФО-а су први пут користили атосекундне импулсе меких рендгенских зрака да би „погледали у материју“ и такође показали стање материје са светлошћу.

„Захтеви за кохерентно истраживање, временску резолуцију атосекунде и синхронизацију атосекунде између пумпе и сонде су потпуно нови и суштински захтев за таква нова истраживања која омогућава наука о атосекунди“, примећује први аутор студије, Тхемис Сидиропоулос.

Електронска динамика у графиту

За разлику од електронских калемова и упредених двослоја Графен„Уместо да манипулишемо узорком, ми оптички побуђујемо материјал снажним светлосним импулсом, чиме побуђујемо електроне у високоенергетска стања и посматрамо како се ови електрони опуштају“ унутар материјала, не само појединачно, већ Као комплетан систем, пратимо интеракција између носилаца наелектрисања и саме мреже.

Да би открили како су се електрони у графиту опустили након примене снажног светлосног импулса, узели су широк спектар различитих нивоа енергије. Посматрајући овај систем, могли су да виде да нивои енергије свих носилаца наелектрисања указују на то да се фотопроводљивост материјала повећала у неком тренутку, што указује на потписе или сећања на фазу суперпроводљивости.

Посматрање кохерентних фонона

Како су могли ово да виде? Па, заправо, у претходном посту, посматрали су понашање кохерентних (а не случајних) фонона или колективну ексцитацију атома унутар чврстог тела. Пошто графит садржи низ веома јаких (високоенергетских) фонона, он може ефикасно да пренесе велике количине енергије од кристала без оштећења материјала кроз механичке вибрације решетке. Пошто се ови кохерентни фонони крећу напред-назад, попут таласа, чини се да електрони унутар чврстог тела возе талас, стварајући потписе вештачке суперпроводљивости коју је тим приметио.

Импликације и будући изгледи

Резултати ове студије показују обећавајуће примене у области фотонских интегрисаних кола или оптичког рачунарства, користећи светлост за манипулацију електронима или контролу својстава материјала и манипулисање њима помоћу светлости. Како закључује Јенс Бигерт, „динамика многих тела је у својој сржи и вероватно један од најизазовнијих проблема у савременој физици. Резултати које смо овде добили отварају нови свет физике, нудећи нове начине истраживања и манипулације међусобно повезаних фаза материје у реалном времену, што су од пресудног значаја за савремене технологије.

Референца: „Побољшана оптичка проводљивост и ефекти више тела у снажно фотокатализованом полуметалном графиту“ ТПХ Сидиропулоса и Н. Ди Пало, Д. Е. Ривас и А. Самерс и С. Северино и М. Редуци и Ј. Бигерт, 16. новембар 2023. Натуре Цоммуницатионс.
дои: 10.1038/с41467-023-43191-5

Напомене

1. „Мекана плоча са високим флуксом покретана подциклусом Бодис, 14.09.2014. Оптицс Леттерс.
   дои:10.1364/ОЛ.39.005383
2. „Спектроскопија фине структуре дисперзивне меке Барбара Бадис и Франк Цоппинс, 19.05.2018. оптица.
   дои:10.1364/ОПТИЦА.5.000502
3. „Атосекундне линије у прозору воде: нови систем за карактеризацију атосекундне пулсације“ Сетх Л. Косин, Никола Ди Пало, Барбара Бодис, Стефан М. Тишман, М. Редуци, М. ДеВита, А. Јенс Бигерт, 02.11.2017. Физички преглед.
   дои: 10.1103/ПхисРевКс.7.041030