Rentgenová absorpční spektroskopie, základní nástroj v materiálové analýze, se vyvinula s příchodem attosekundových měkkých rentgenových pulsů. Tyto impulsy umožňují simultánní analýzu celé elektronické struktury materiálu, což je výkon vedený týmem ICFO. Nedávná studie prokázala manipulaci s vodivostí grafitu prostřednictvím interakce mezi světlem a hmotou a odhalila potenciální aplikace ve fotonických obvodech a optických výpočtech. Tento pokrok ve spektroskopii otevírá nové obzory pro studium dynamiky mnoha těles v materiálech, což je hlavní výzva v moderní fyzice. Kredit: SciTechDaily.com
Pokroky v attosekundové měkké rentgenové spektroskopii výzkumníků z ICFO transformovaly analýzu materiálů, zejména ve studiu interakcí světla a hmoty a dynamiky mnoha těles, se slibnými důsledky pro budoucí technologické aplikace.
Rentgenová absorpční spektroskopie je elementově selektivní a elektronově citlivá technika a je jednou z nejrozšířenějších analytických technik pro studium struktury látek nebo látek. Až donedávna tato metoda vyžadovala pracné skenování vlnových délek a neposkytovala ultrarychlé časové rozlišení pro studium elektronické dynamiky.
Během posledního desetiletí skupina Attoscience and Ultrafast Optics v ICFO, vedená profesorem ICREA na ICFO Jensem Biegertem h, vyvinula attosekundovou měkkou rentgenovou absorpční spektroskopii do nového analytického nástroje bez potřeby skenování as rozlišením attosekund.[1,2]
Průlom v attosekundové měkké rentgenové spektroskopii
Attosekundové měkké rentgenové pulsy s délkou trvání 23 až 165 stop a přidruženou šířkou koherentního měkkého rentgenového záření 120 až 600 eV[3] Umožňuje najednou prozkoumat celou elektronickou strukturu materiálu.
Kombinace časového rozlišení elektronické detekce pohybu v reálném čase a koherentní šířky pásma, která zaznamenává, kde ke změně dojde, poskytuje zcela nový a výkonný nástroj pro fyziku a chemii pevných látek.
Vystavení grafitu ultrakrátkým středním infračerveným laserovým pulzům dává vzniknout vysoce vodivé hybridní fázi fotonické hmoty, ve které jsou opticky excitované elektrony silně spojeny s koherentními fotonickými fonony. Pozorování tak silného vícetělového stavu, který je opticky excitován, je umožněno studiem životnosti excitovaných elektronických stavů pomocí měkkého, attosekundového rentgenového pulsu. Kredit: ©ICFO
Jedním z nejdůležitějších procesů je interakce světla s hmotou, abychom například pochopili, jak se v rostlinách získává sluneční energie nebo jak solární článek přeměňuje sluneční světlo na elektřinu.
Základním aspektem materiálové vědy je možnost, že kvantový stav nebo funkce materiálu nebo hmoty lze změnit světlem. Takový výzkum dynamiky materiálů v mnoha tělesech se zabývá základními výzvami současné fyziky, jako je to, co spouští jakýkoli kvantový fázový přechod nebo jak vlastnosti materiálu vznikají z mikroskopických interakcí.
Nedávná studie provedená výzkumníky z ICFO
V nedávné studii zveřejněné v časopise Příroda komunikaceVýzkumníci z ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi a Jens Bigert hlásí, že pozorují světlem indukovaný nárůst a kontrolu vodivosti v grafitu pomocí manipulace s vícetělovým stavem materiálu.
Inovativní měřicí techniky
Vědci použili světelné pulsy se stabilním podcyklem v nosné fázi a obalenými při 1850 nm k indukci hybridního stavu fotonického materiálu. Zkoumali elektronickou dynamiku pomocí attosekundových měkkých rentgenových pulsů se 165 km na uhlíkové K hraně grafitu při 285 eV. Attosekundová měkká rentgenová absorpciometrie zkoumala celou elektronickou strukturu materiálu v krocích zpoždění attosekundové čerpadlo-sonda. Čerpadlo při 1850 nm vyvolalo v materiálu stav vysoké vodivosti, který existuje pouze díky interakci fotohmoty; Proto se nazývá hybrid lehké hmoty.
Výzkumníci se o takové podmínky zajímají, protože se očekává, že povedou ke vzniku kvantových vlastností materiálů, které neexistují v žádném jiném rovnovážném stavu, a tyto kvantové stavy lze přepínat při základních optických rychlostech až několika terahertzů.
Je však do značné míry nejasné, jak přesně stavy v materiálech vznikají. V nedávných zprávách proto existuje mnoho spekulací o světlem indukované supravodivosti a dalších topologických fázích. Výzkumníci z ICFO poprvé použili attosekundové pulsy měkkého rentgenového záření k „pohledu do nitra hmoty“ a také k zobrazení stavu hmoty světlem.
„Požadavky na koherentní zkoumání, rozlišení v attosekundách a synchronizaci v attosekundách mezi pumpou a sondou jsou zcela nové a základním požadavkem pro takovéto nové výzkumy umožněné attosekundovou vědou,“ poznamenává první autor studie, Themis Sidiropoulos.
Elektronová dynamika v grafitu
Na rozdíl od elektronových cívek a zkroucených dvojvrstev Grafen„Místo manipulace se vzorkem opticky excitujeme materiál silným pulzem světla, čímž vzbudíme elektrony do vysokoenergetických stavů a sledujeme, jak se tyto elektrony uvolňují“ v materiálu, a to nejen jednotlivě, ale jako kompletní systém monitorujeme interakce mezi nosiči náboje a samotnou sítí.
Aby zjistili, jak se elektrony v grafitu po aplikaci silného pulzu světla uvolnily, vzali široké spektrum různých energetických hladin. Pozorováním tohoto systému byli schopni vidět, že energetické hladiny všech nosičů náboje naznačovaly, že fotovodivost materiálu se v určitém okamžiku zvýšila, což naznačuje podpisy nebo vzpomínky supravodivé fáze.
Pozorování koherentních fononů
Jak to mohli vidět? Ve skutečnosti v předchozím příspěvku pozorovali chování koherentních (spíše než náhodných) fononů nebo kolektivní excitaci atomů v pevné látce. Protože grafit obsahuje řadu velmi silných (vysokoenergetických) fononů, může efektivně přenášet velké množství energie pryč z krystalu, aniž by došlo k poškození materiálu mechanickými vibracemi mřížky. Protože se tyto koherentní fonony pohybují tam a zpět jako vlna, zdá se, že elektrony uvnitř pevné látky jezdí na vlně a generují známky umělé supravodivosti, kterou tým pozoroval.
Důsledky a vyhlídky do budoucna
Výsledky této studie ukazují slibné aplikace v oblasti fotonických integrovaných obvodů nebo optických výpočtů, využívajících světlo k manipulaci s elektrony nebo řízení vlastností materiálů a manipulaci s nimi světlem. Jak uzavírá Jens Bigert: „Dynamika mnoha těles je jejím jádrem a pravděpodobně jedním z nejnáročnějších problémů současné fyziky. Výsledky, které jsme zde získali, otevírají nový svět fyziky a nabízejí nové způsoby zkoumání a manipulace s propojenými fázemi.“ hmoty v reálném čase, což jsou klíčové pro moderní technologie.
Reference: „Zlepšená optická vodivost a mnohotělesné efekty v silně fotokatalyzovaném semi-kovovém grafitu“ od TPH Sidiropoulos a N. Di Palo, D. E. Rivas a A. Summers a S. Severino a M. Reduzzi a J. Biegert, 16. listopadu 2023, Příroda komunikace.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5
Poznámky
- „Měkká stolní deska s vysokým tokem poháněná dílčími cykly Bodis, 14. září 2014, Optika dopisy.
doi:10.1364/OL.39.005383 - „Spektroskopie jemné struktury disperzního měkkého Barbara Buddis a Frank Coppins, 19. května 2018, optika.
doi:10.1364/OPTICA.5.000502 - „Attosekundové čáry ve vodním okně: nový systém pro charakterizaci attosekundové pulzace“ od Setha L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2. listopadu 2017, Fyzická revize.
doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030
Přátelský webový obhájce. Odborník na popkulturu. Bacon ninja. Tvrdý twitterový učenec.
