Attoscience süper iletkenliğe giden yolu aydınlatıyor

ICFO araştırmacıları tarafından attosaniye yumuşak X-ışını spektroskopisindeki ilerlemeler, özellikle ışık-madde etkileşimleri ve çok cisim dinamiği çalışmalarında malzeme analizini, gelecekteki teknolojik uygulamalar için umut verici çıkarımlarla dönüştürdü.

X-ışını absorpsiyon spektroskopisi, element seçici ve elektronik duruma duyarlı bir tekniktir ve maddelerin veya maddelerin yapısını incelemek için en yaygın kullanılan analitik tekniklerden biridir. Yakın zamana kadar bu yöntem zahmetli dalga boyu taraması gerektiriyordu ve elektronik dinamikleri incelemek için ultra hızlı zamansal çözünürlük sağlayamıyordu.

Geçtiğimiz on yılda, ICFO Jens Biegert h'deki ICREA Profesörü liderliğindeki ICFO'daki Attoscience ve Ultrafast Optics grubu, taramaya ihtiyaç duymadan ve attosaniye çözünürlüğüyle yeni bir analitik araca attosaniye yumuşak X-ışını absorpsiyon spektroskopisini geliştirdi.^[1,2]

Attosaniye yumuşak X-ışını spektroskopisinde çığır açan buluş

23 ila 165 ft'lik bir süreye ve 120 ila 600 eV'lik ilgili tutarlı yumuşak X-ışını bant genişliğine sahip attosaniyelik yumuşak X-ışını darbeleri^[3] Malzemenin tüm elektronik yapısının tek seferde sorgulanabilmesine olanak sağlar.

Gerçek zamanlı elektronik hareket algılamanın zaman çözünürlüğü ile değişikliğin meydana geldiği yeri kaydeden tutarlı bant genişliğinin birleştirilmesi, katı hal fiziği ve kimyası için tamamen yeni ve güçlü bir araç sağlar.

Grafitin ultra kısa bir orta kızılötesi lazer darbesine maruz bırakılması, optik olarak uyarılmış elektronların tutarlı fotonik fononlara güçlü bir şekilde bağlandığı, fotonik maddenin yüksek iletkenliğe sahip hibrit fazına yol açar. Optik olarak uyarılmış böylesine güçlü bir çoklu cisim durumunun gözlemlenmesi, yumuşak, attosaniyelik bir X-ışını darbesi kullanılarak uyarılmış elektronik durumların yaşam sürelerinin incelenmesiyle mümkün olmaktadır. Kredi bilgileri: ©ICFO

En önemli süreçlerden biri, örneğin bitkilerde güneş enerjisinin nasıl toplandığını veya bir güneş pilinin güneş ışığını elektriğe nasıl dönüştürdüğünü anlamak için ışığın maddeyle etkileşimidir.

Malzeme biliminin temel bir yönü, bir malzemenin veya maddenin kuantum durumunun veya fonksiyonunun ışıkla değiştirilebilmesi olasılığıdır. Malzemelerin çok cisimli dinamiğine yönelik bu tür araştırmalar, herhangi bir kuantum faz geçişini neyin tetiklediği veya malzeme özelliklerinin mikroskobik etkileşimlerden nasıl ortaya çıktığı gibi çağdaş fizikteki temel zorlukları ele alıyor.

ICFO'dan araştırmacılar tarafından yürütülen yeni bir çalışma

Dergide yayınlanan yeni bir araştırmada Doğa İletişimiICFO araştırmacıları Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi ve Jens Bigert, malzemenin çok gövdeli durumunu manipüle ederek grafitte ışık kaynaklı bir artış ve iletkenlik kontrolünü gözlemlediklerini bildirdi.

Yenilikçi ölçüm teknikleri

Araştırmacılar, fotonik malzemenin hibrit durumunu indüklemek için taşıyıcı fazda kararlı alt döngüye sahip ve 1850 nm'de sarılmış ışık darbeleri kullandılar. Grafitin karbon K kenarında 285 eV'de 165 km'lik attosaniyelik yumuşak X-ışını darbelerini kullanarak elektronik dinamikleri araştırdılar. Attosaniye yumuşak X-ışını absorpsiyometrisi, malzemenin tüm elektronik yapısını attosaniye pompa probu gecikme adımlarında sorguladı. 1850 nm'deki pompa, malzemede yalnızca fotomadde etkileşimi nedeniyle var olan yüksek bir iletkenlik durumu oluşturdu; Bu nedenle ona hafif madde hibriti denir.

Araştırmacılar bu tür koşullarla ilgileniyor çünkü bunların başka hiçbir denge durumunda bulunmayan malzemelerin kuantum özelliklerine yol açması bekleniyor ve bu kuantum durumları birkaç terahertz'e kadar temel optik hızlarda değiştirilebilir.

Bununla birlikte, malzemelerin içinde durumların tam olarak nasıl ortaya çıktığı büyük ölçüde belirsizdir. Bu nedenle son raporlarda ışığın neden olduğu süperiletkenlik ve diğer topolojik aşamalar hakkında çok fazla spekülasyon var. ICFO araştırmacıları ilk kez “maddenin içine bakmak” ve ayrıca maddenin durumunu ışıkla göstermek için attosaniyelik yumuşak X-ışınları darbelerini kullandılar.

Çalışmanın ilk yazarı Themis Sidiropoulos, “Tutarlı araştırma, attosaniye zaman çözünürlüğü ve pompa ile prob arasındaki attosaniye senkronizasyonu tamamen yenidir ve attosaniye biliminin mümkün kıldığı bu tür yeni araştırmalar için temel bir gerekliliktir” diye belirtiyor.

Grafitte elektron dinamiği

Elektron bobinlerinden ve bükülmüş çift katmanlardan farklı olarak Grafen“Örneği manipüle etmek yerine, malzemeyi güçlü bir ışık darbesiyle optik olarak uyarıyoruz, böylece elektronları yüksek enerji durumlarına heyecanlandırıyoruz ve bu elektronların malzeme içinde nasıl rahatladığını gözlemliyoruz”, yalnızca tek tek değil, komple bir sistem olarak, yük taşıyıcıları ve ağın kendisi arasındaki etkileşim.

Grafitteki elektronların güçlü bir ışık darbesi uyguladıktan sonra nasıl gevşediğini bulmak için farklı enerji seviyelerinin geniş bir spektrumunu aldılar. Bu sistemi gözlemleyerek, tüm yük taşıyıcılarının enerji seviyelerinin, malzemenin fotoiletkenliğinin bir noktada arttığını gösterdiğini, süperiletken fazın imzalarını veya anılarını gösterdiğini görebildiler.

Tutarlı fononların gözlemlenmesi

Bunu nasıl görebildiler? Aslında önceki bir gönderide tutarlı (rastgele değil) fononların davranışını veya bir katı içindeki atomların kolektif uyarımını gözlemlediler. Grafit çok güçlü (yüksek enerjili) fononlardan oluşan bir dizi içerdiğinden, kafesin mekanik titreşimleri yoluyla malzemeye zarar vermeden büyük miktarda enerjiyi kristalden verimli bir şekilde aktarabilir. Bu tutarlı fononlar bir dalga gibi ileri geri hareket ettiğinden, katının içindeki elektronlar dalgayı sürüyor gibi görünüyor ve ekibin gözlemlediği yapay süperiletkenliğin izlerini üretiyor.

Etkiler ve gelecekteki beklentiler

Bu çalışmanın sonuçları, fotonik entegre devreler veya optik hesaplama alanında, ışığın elektronları manipüle etmek veya malzemelerin özelliklerini kontrol etmek ve bunları ışıkla manipüle etmek için kullanıldığı umut verici uygulamaları göstermektedir. Jens Bigert'in bitirdiği gibi, “Çoklu cisim dinamiği bu konunun özünde yer alıyor ve tartışmasız çağdaş fiziğin en zorlu sorunlarından biri. Burada elde ettiğimiz sonuçlar, birbirine bağlı aşamaları araştırmanın ve manipüle etmenin yeni yollarını sunarak yeni bir fizik dünyasının kapılarını açıyor. Modern teknolojiler için çok önemli olan maddenin gerçek zamanlı olarak işlenmesi.

Referans: TPH Sidiropoulos ve N. Di Palo, D. E. Rivas ve A. Summers ve S. Severino ve M. Reduzzi ve J. Biegert, 16 Kasım 2023, Doğa İletişimi.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Notlar

1. “Alt döngü tahrikli, yüksek akışlı masa üstü yumuşak Bodis, 14 Eylül 2014, Optik Harfler.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Dağıtıcı yumuşak malzemelerin ince yapı spektroskopisi Barbara Bodis ve Frank Coppins, 19 Mayıs 2018, optik.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Su penceresindeki attosaniye çizgileri: attosaniye titreşimini karakterize etmek için yeni bir sistem”, Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tişman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2 Kasım 2017, Fiziksel inceleme.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030