Рентгенівська абсорбційна спектроскопія, важливий інструмент аналізу матеріалів, розвинулася з появою аттосекундних імпульсів м’якого рентгенівського випромінювання. Ці імпульси дозволяють одночасно аналізувати всю електронну структуру матеріалу, досягнення під керівництвом команди ICFO. Нещодавнє дослідження продемонструвало маніпуляції провідністю графіту через взаємодію між світлом і матерією, виявивши потенційні застосування у фотонних схемах і оптичних обчисленнях. Цей прогрес у спектроскопії відкриває нові горизонти для вивчення динаміки багатьох тіл у матеріалах, що є головним викликом сучасної фізики. Авторство: SciTechDaily.com
Досягнення в аттосекундній м’якій рентгенівській спектроскопії дослідників ICFO змінили аналіз матеріалів, зокрема у вивченні взаємодії світла та матерії та динаміки багатьох тіл, з багатообіцяючими наслідками для майбутніх технологічних застосувань.
Рентгенівська абсорбційна спектроскопія є елементно-селективною та чутливою до електронного стану методикою та є одним із найбільш широко використовуваних аналітичних методів для вивчення структури речовин або речовин. Донедавна цей метод вимагав трудомісткого сканування довжини хвилі та не забезпечував надшвидкої тимчасової роздільної здатності для вивчення електронної динаміки.
За останнє десятиліття група Attoscience та надшвидкої оптики в ICFO, очолювана професором ICREA в ICFO Йенсом Бігертом, розробила аттосекундну спектроскопію м’якого рентгенівського поглинання в новий аналітичний інструмент без необхідності сканування та з аттосекундною роздільною здатністю.[1,2]
Прорив в аттосекундній м'якій рентгенівській спектроскопії
Атосекундні імпульси м’якого рентгенівського випромінювання тривалістю від 23 до 165 футів і пов’язаною смугою пропускання когерентного м’якого рентгенівського випромінювання від 120 до 600 еВ[3] Дозволяє відразу досліджувати всю електронну структуру матеріалу.
Поєднання часової роздільної здатності електронного детектування руху в реальному часі та когерентної смуги пропускання, яка записує, де відбуваються зміни, забезпечує абсолютно новий і потужний інструмент для фізики та хімії твердого тіла.
Вплив ультракороткого лазерного імпульсу середнього інфрачервоного діапазону на графіт призводить до утворення високопровідної гібридної фази фотонної матерії, в якій оптично збуджені електрони міцно пов’язані з когерентними фотонними фононами. Спостереження такого сильного багатотільного стану, який є оптично збудженим, стало можливим завдяки вивченню часу життя збуджених електронних станів за допомогою м’якого аттосекундного рентгенівського імпульсу. Авторство: ©ICFO
Одним із найважливіших процесів є взаємодія світла з речовиною, наприклад, щоб зрозуміти, як сонячна енергія збирається в рослинах або як сонячна батарея перетворює сонячне світло в електрику.
Фундаментальним аспектом матеріалознавства є можливість того, що квантовий стан або функцію матеріалу або матерії можна змінити світлом. Такі дослідження динаміки багатьох тіл у матеріалах спрямовані на фундаментальні проблеми сучасної фізики, наприклад, що викликає будь-який квантовий фазовий перехід або як властивості матеріалу виникають у результаті мікроскопічної взаємодії.
Недавнє дослідження, проведене дослідниками з ICFO
У недавньому дослідженні, опублікованому в журн Комунікації природиДослідники ICFO Феміс Сідіропулос, Нікола Ді Пало, Адам Саммерс, Стефано Северіно, Мауріціо Редуцці та Йенс Бігерт повідомляють про спостереження індукованого світлом збільшення та контролю провідності графіту шляхом маніпулювання багаточастинковим станом матеріалу.
Інноваційні методи вимірювання
Дослідники використовували світлові імпульси зі стабільним субциклом у фазі несучої та охопленими на 1850 нм, щоб індукувати гібридний стан фотонного матеріалу. Вони досліджували електронну динаміку за допомогою аттосекундних імпульсів м’якого рентгенівського випромінювання з відстанню 165 км на межі вуглецю K графіту при 285 еВ. Атосекундна м’яка рентгенівська абсорбціометрія досліджувала всю електронну структуру матеріалу з аттосекундними кроками затримки насос-зонд. Накачування при 1850 нм індукує стан високої провідності в матеріалі, який існує лише завдяки взаємодії фотоматерії; Тому його називають гібридом легкої матерії.
Дослідники зацікавлені в таких умовах, тому що вони, як очікується, породять квантові властивості матеріалів, які не існують у жодному іншому стані рівноваги, і ці квантові стани можуть перемикатися на основних оптичних швидкостях до кількох терагерц.
Проте в основному незрозуміло, як саме стани виникають у матеріалах. Отже, в останніх звітах є багато спекуляцій щодо індукованої світлом надпровідності та інших топологічних фаз. Дослідники ICFO вперше використали аттосекундні імпульси м’якого рентгенівського випромінювання, щоб «поглянути всередину матерії», а також показати стан матерії зі світлом.
«Вимоги до когерентного дослідження, аттосекундної роздільної здатності та аттосекундної синхронізації між насосом і зондом є абсолютно новими і є важливою вимогою для таких нових досліджень, які створені завдяки аттосекундній науці», — зазначає перший автор дослідження Феміс Сідіропулос.
Електронна динаміка в графіті
На відміну від електронних котушок і скручених бішарів Графен«Замість того, щоб маніпулювати зразком, ми оптично збуджуємо матеріал за допомогою потужного імпульсу світла, таким чином збуджуючи електрони до високоенергетичних станів і спостерігаючи, як ці електрони розслаблюються» всередині матеріалу, не лише окремо, а й як цілісна система, контролюйте взаємодія між носіями заряду і самою мережею.
Щоб з’ясувати, як електрони в графіті розслаблюються після застосування потужного імпульсу світла, вони взяли широкий спектр різних рівнів енергії. Спостерігаючи за цією системою, вони змогли побачити, що рівні енергії всіх носіїв заряду вказують на те, що фотопровідність матеріалу в якийсь момент зросла, вказуючи на сигнатури або спогади про надпровідну фазу.
Спостереження когерентних фононів
Як вони змогли це побачити? Ну, насправді, у попередній публікації вони спостерігали за поведінкою когерентних (а не випадкових) фононів або колективного збудження атомів у твердому тілі. Оскільки графіт містить масив дуже сильних (високоенергетичних) фононів, він може ефективно передавати велику кількість енергії від кристала, не пошкоджуючи матеріал механічними коливаннями решітки. Оскільки ці когерентні фонони рухаються вперед і назад, як хвиля, електрони всередині твердого тіла, здається, їздять на хвилі, створюючи сигнатури штучної надпровідності, яку спостерігала команда.
Наслідки та майбутні перспективи
Результати цього дослідження демонструють перспективні застосування в галузі фотонних інтегральних схем або оптичних обчислень, які використовують світло для маніпулювання електронами або керування властивостями матеріалів і маніпулювання ними за допомогою світла. Як підсумовує Єнс Бігерт: “Динаміка багатьох тіл є суттю та, можливо, однією з найскладніших проблем сучасної фізики. Результати, які ми тут отримали, відкривають новий світ фізики, пропонуючи нові способи дослідження та маніпулювання взаємопов’язаними фазами матерії в реальному часі, що вони мають вирішальне значення для сучасних технологій.
Довідка: «Покращена оптична провідність і ефекти багатьох тіл у сильно фотокаталізованому напівметалевому графіті» TPH Sidiropoulos і N. Ді Пало, Д. Е. Рівас і А. Саммерс і С. Северіно і М. Редуцці і Дж. Бігерт, 16 листопада 2023 р. Комунікації природи.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5
Примітки
- «М’яка настільна поверхня з високим потоком, керована субциклом Бодис, 14 вересня 2014 р. Оптика Букви.
doi:10.1364/OL.39.005383 - “Спектроскопія тонкої структури дисперсійних м’яких Барбара Буддіс і Френк Коппінс, 19 травня 2018 р. optica.
doi:10.1364/OPTICA.5.000502 - «Атосекундні лінії у водяному вікні: нова система для характеристики аттосекундної пульсації» Сета Л. Косін, Нікола Ді Пало, Барбара Бодіс, Стефан М. Тишман, М. Редуцці, М. Де Віта, А. Єнс Бігерт, 2 листопада 2017 р. Фізичний огляд.
doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
