ICFO tyrėjų attosekundinės minkštosios rentgeno spinduliuotės spektroskopijos pažanga pakeitė medžiagų analizę, ypač tiriant šviesos medžiagų sąveiką ir daugelio kūnų dinamiką, o tai turėjo daug žadančių pasekmių būsimoms technologinėms programoms.

Rentgeno spindulių sugerties spektroskopija yra elementų atrankinė ir elektroninei būsenai jautri technika ir yra viena iš plačiausiai naudojamų analitinių metodų tiriant medžiagų ar medžiagų struktūrą. Iki šiol šis metodas reikalavo daug pastangų reikalaujančio bangos ilgio nuskaitymo ir nesuteikė itin greitos laiko skiriamosios gebos elektroninei dinamikai tirti.

Per pastarąjį dešimtmetį ICFO Attoscience and Ultrafast Optics grupė, vadovaujama ICREA profesoriaus Jens Biegert h, sukūrė attosekundinę minkštąją rentgeno spindulių sugerties spektroskopiją į naują analitinį įrankį, kuriam nereikia nuskaityti ir su attosekundės skiriamąja geba.^[1,2]

Proveržis attosekundės minkštosios rentgeno spektroskopijos srityje

Attosekundiniai minkštieji rentgeno impulsai, kurių trukmė nuo 23 iki 165 pėdų ir susijęs koherentinis minkštųjų rentgeno spindulių dažnių juostos plotis nuo 120 iki 600 eV^[3] Leidžiama iš karto apklausti visą elektroninę medžiagos struktūrą.

Sujungus realaus laiko elektroninio judesio aptikimo laiko skiriamąją gebą ir nuoseklų dažnių juostos plotį, registruojantį, kur įvyksta pokytis, gaunamas visiškai naujas ir galingas kietojo kūno fizikos ir chemijos įrankis.

Paveikus grafitą ultratrumpu vidutinio infraraudonųjų spindulių lazerio impulsu, susidaro labai laidi hibridinė fotoninės medžiagos fazė, kurioje optiškai sužadinti elektronai yra stipriai susieti su koherentiniais fotoniniais fononais. Stebėti tokią stiprią kelių kūnų būseną, kuri yra optiškai sužadinta, įmanoma tiriant sužadintų elektroninių būsenų gyvavimo trukmę naudojant minkštą atosekundės rentgeno impulsą. Kreditas: ©ICFO

Vienas iš svarbiausių procesų yra šviesos sąveika su medžiaga, pavyzdžiui, norint suprasti, kaip augaluose surenkama saulės energija arba kaip saulės elementas saulės šviesą paverčia elektra.

Pagrindinis medžiagų mokslo aspektas yra galimybė, kad medžiagos ar materijos kvantinę būseną arba funkciją gali pakeisti šviesa. Tokie daugelio kūnų medžiagų dinamikos tyrimai sprendžia esminius šiuolaikinės fizikos iššūkius, pavyzdžiui, kas sukelia bet kokį kvantinės fazės perėjimą arba kaip medžiagų savybės atsiranda dėl mikroskopinės sąveikos.

Neseniai atliktas tyrimas, kurį atliko ICFO mokslininkai

Neseniai žurnale paskelbtame tyrime Gamtos komunikacijosICFO tyrėjai Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi ir Jens Bigert praneša, kad stebi šviesos sukeltą grafito laidumo padidėjimą ir kontrolę, manipuliuojant daugiasluoksne medžiagos būsena.

Inovatyvūs matavimo metodai

Tyrėjai naudojo šviesos impulsus su stabiliu subciklu nešiklio fazėje ir apgaubtus 1850 nm, kad sukeltų hibridinę fotoninės medžiagos būseną. Jie ištyrė elektroninę dinamiką naudodami atosekundžių minkštus rentgeno impulsus su 165 km atstumu prie grafito anglies K krašto esant 285 eV. Attosekundės minkštųjų rentgeno spindulių absorbcijos matavimas ištyrė visą elektroninę medžiagos struktūrą attosekundės siurblio-zondo vėlavimo etapais. Siurblys esant 1850 nm sukėlė medžiagoje didelio laidumo būseną, kuri egzistuoja tik dėl fotomedžiagos sąveikos; Todėl jis vadinamas lengvosios medžiagos hibridu.

Tyrėjai domisi tokiomis sąlygomis, nes tikimasi, kad jos sukurs medžiagų kvantines savybes, kurios neegzistuoja jokioje kitoje pusiausvyros būsenoje, ir šias kvantines būsenas galima perjungti iki kelių terahercų pagrindiniu optiniu greičiu.

Tačiau iš esmės neaišku, kaip tiksliai medžiagose atsiranda būsenos. Todėl naujausiuose pranešimuose yra daug spėlionių apie šviesos sukeltą superlaidumą ir kitas topologines fazes. ICFO mokslininkai pirmą kartą panaudojo atosekundinius minkštųjų rentgeno spindulių impulsus, kad „pažvelgtų į materijos vidų“ ir parodytų medžiagos būseną su šviesa.

„Reikalavimai nuosekliam tyrimui, attosekundės laiko skyrai ir atosekundės sinchronizavimui tarp siurblio ir zondo yra visiškai nauji ir esminis reikalavimas tokiems naujiems tyrimams, kuriuos įgalina attosekundės mokslas“, – pažymi pirmasis tyrimo autorius Themis Sidiropoulos.

Elektronų dinamika grafite

Skirtingai nei elektronų ritės ir susukti dvisluoksniai Grafenas„Užuot manipuliuodami mėginiu, mes optiškai sužadiname medžiagą galingu šviesos impulsu, taip sužadindami elektronus į didelės energijos būsenas ir stebėdami, kaip šie elektronai atsipalaiduoja“ medžiagoje ne tik atskirai, bet ir kaip visa sistema, stebime sąveika tarp krūvininkų ir paties tinklo.

Norėdami sužinoti, kaip grafito elektronai atsipalaidavo po stipraus šviesos impulso, jie paėmė platų skirtingų energijos lygių spektrą. Stebėdami šią sistemą, jie galėjo pastebėti, kad visų krūvininkų energijos lygiai rodo, kad medžiagos fotolaidumas tam tikru momentu padidėjo, o tai rodo superlaidumo fazės parašus ar prisiminimus.

koherentinių fononų stebėjimas

Kaip jie galėjo tai pamatyti? Tiesą sakant, ankstesniame įraše jie stebėjo koherentinių (o ne atsitiktinių) fononų elgesį arba kolektyvinį atomų sužadinimą kietajame kūne. Kadangi grafite yra daugybė labai stiprių (didelės energijos) fononų, jis gali efektyviai perkelti didelius energijos kiekius nuo kristalo, nepažeisdamas medžiagos dėl gardelės mechaninių virpesių. Kadangi šie nuoseklūs fononai juda pirmyn ir atgal, kaip banga, atrodo, kad kietojo kūno viduje esantys elektronai važiuoja banga, generuodami dirbtinio superlaidumo ženklus, kuriuos stebėjo komanda.

Pasekmės ir ateities perspektyvos

Šio tyrimo rezultatai rodo daug žadančius pritaikymus fotoninių integrinių grandynų arba optinio skaičiavimo srityje, naudojant šviesą manipuliuoti elektronais arba kontroliuoti medžiagų savybes ir manipuliuoti jais šviesa. Kaip daro išvadą Jensas Bigertas: „Daugelio kūnų dinamika yra jos esmė ir, be abejo, viena iš sudėtingiausių šiuolaikinės fizikos problemų. Čia gauti rezultatai atveria naują fizikos pasaulį, siūlantį naujus būdus tyrinėti ir manipuliuoti tarpusavyje susijusiomis fazėmis. medžiagos realiuoju laiku, kurios yra labai svarbios šiuolaikinėms technologijoms.

Nuoroda: TPH Sidiropoulos ir N. Di Palo, D. E. Rivas ir A. Summersas ir S. Severino ir M. Reduzzi ir J. Biegert, 2023 m. lapkričio 16 d. Gamtos komunikacijos.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Pastabos

1. „Stalinis stalviršis, varomas antriniu ciklu, didelio srauto minkštas Bodis, 2014 m. rugsėjo 14 d. Optikos raidės.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. „Smulkiosios dispersinės minkštos struktūros spektroskopija Barbara Buddis ir Frank Coppins, 2018 m. gegužės 19 d. optika.
   doi: 10.1364 / OPTICA.5.000502
3. „Atosekundinės linijos vandens lange: nauja attosekundės pulsacijos apibūdinimo sistema“, autorius Sethas L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tišmanas, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jensas Bigertas, 2017 m. lapkričio 2 d. Fizinė apžvalga.
   doi: 10.1103 / PhysRevX.7.041030