Attoscience membuka jalan menuju superkonduktivitas

Kemajuan dalam spektroskopi sinar-X lunak attodetik oleh para peneliti ICFO telah mengubah analisis material, khususnya dalam studi interaksi materi cahaya dan dinamika banyak benda, dengan implikasi yang menjanjikan untuk penerapan teknologi di masa depan.

Spektroskopi serapan sinar-X merupakan teknik selektif unsur dan peka terhadap keadaan elektronik, serta merupakan salah satu teknik analisis yang paling banyak digunakan untuk mempelajari struktur zat atau zat. Sampai saat ini, metode ini memerlukan pemindaian panjang gelombang yang melelahkan dan tidak memberikan resolusi temporal yang sangat cepat untuk mempelajari dinamika elektronik.

Selama dekade terakhir, kelompok Attoscience dan Ultrafast Optics di ICFO, dipimpin oleh Profesor ICREA di ICFO Jens Biegert h, telah mengembangkan spektroskopi serapan sinar-X lembut attosecond menjadi alat analisis baru tanpa memerlukan pemindaian dan dengan resolusi attosecond.^[1,2]

Sebuah terobosan dalam spektroskopi sinar-X lembut attosecond

Pulsa sinar-X lunak Attosecond dengan durasi 23 hingga 165 kaki dan bandwidth sinar-X lunak koheren terkait sebesar 120 hingga 600 eV^[3] Mengizinkan seluruh struktur elektronik materi diinterogasi sekaligus.

Menggabungkan resolusi waktu deteksi gerakan elektronik real-time dan bandwidth koheren yang mencatat tempat terjadinya perubahan memberikan alat yang benar-benar baru dan kuat untuk fisika dan kimia benda padat.

Mengekspos grafit ke pulsa laser inframerah-tengah ultrapendek menimbulkan fase hibrid materi fotonik yang berkonduksi tinggi, di mana elektron-elektron yang tereksitasi secara optik berpasangan kuat dengan fonon fotonik yang koheren. Mengamati keadaan multi-benda yang begitu kuat, yang tereksitasi secara optik, dimungkinkan dengan mempelajari masa hidup keadaan elektronik yang tereksitasi menggunakan pulsa sinar-X attodetik yang lembut. Kredit: ©ICFO

Salah satu proses terpenting adalah interaksi cahaya dengan materi, misalnya untuk memahami bagaimana energi matahari dipanen pada tanaman atau bagaimana sel surya mengubah sinar matahari menjadi listrik.

Aspek mendasar dari ilmu material adalah kemungkinan bahwa keadaan atau fungsi kuantum suatu material atau materi dapat diubah oleh cahaya. Penelitian mengenai dinamika banyak benda pada material menjawab tantangan mendasar dalam fisika kontemporer, seperti apa yang memicu transisi fase kuantum, atau bagaimana sifat material muncul dari interaksi mikroskopis.

Sebuah penelitian terbaru yang dilakukan oleh peneliti dari ICFO

Dalam sebuah penelitian terbaru yang dipublikasikan di majalah tersebut Komunikasi AlamPeneliti ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi, dan Jens Bigert melaporkan mengamati peningkatan dan kontrol konduktivitas grafit yang disebabkan oleh cahaya dengan memanipulasi keadaan multi-benda material.

Teknik pengukuran yang inovatif

Para peneliti menggunakan pulsa cahaya dengan subsiklus stabil dalam fase pembawa dan diselimuti pada 1850 nm untuk menginduksi keadaan hibrid bahan fotonik. Mereka menyelidiki dinamika elektronik menggunakan pulsa sinar-X lembut attodetik dengan jarak 165 km di tepi karbon K grafit pada 285 eV. Absorptiometri sinar-X lembut Attosecond menginterogasi seluruh struktur elektronik material pada langkah penundaan probe pompa attosecond. Pompa pada 1850 nm menginduksi keadaan konduktivitas tinggi pada material, yang hanya terjadi karena interaksi fotomateri; Oleh karena itu disebut hibrida materi ringan.

Para peneliti tertarik pada kondisi seperti ini karena kondisi tersebut diperkirakan akan memunculkan sifat-sifat kuantum material yang tidak ada dalam keadaan setimbang lainnya, dan keadaan kuantum ini dapat diubah pada kecepatan optik dasar hingga beberapa terahertz.

Namun, masih belum jelas secara pasti bagaimana keadaan muncul dalam material. Oleh karena itu, terdapat banyak spekulasi dalam laporan terbaru tentang superkonduktivitas yang diinduksi cahaya dan fase topologi lainnya. Para peneliti ICFO untuk pertama kalinya menggunakan pulsa attosecond dari sinar-X lembut untuk “melihat ke dalam materi” dan juga menunjukkan keadaan materi dengan cahaya.

“Persyaratan untuk penyelidikan yang koheren, resolusi waktu attodetik, dan sinkronisasi attodetik antara pompa dan probe benar-benar baru dan merupakan persyaratan penting untuk penyelidikan baru yang dimungkinkan oleh ilmu attodetik,” kata penulis pertama studi tersebut, Themis Sidiropoulos.

Dinamika elektron dalam grafit

Berbeda dengan kumparan elektron dan lapisan ganda bengkok Grafena“Daripada memanipulasi sampel, kami secara optis mengeksitasi material dengan gelombang cahaya yang kuat, sehingga menarik elektron ke tingkat energi tinggi dan mengamati bagaimana elektron-elektron ini rileks” di dalam material, tidak hanya secara individual tetapi Sebagai sistem yang lengkap, pantau interaksi antara pembawa muatan dan jaringan itu sendiri.

Untuk mengetahui bagaimana elektron dalam grafit mengendur setelah menerapkan pulsa cahaya yang kuat, mereka mengambil spektrum tingkat energi yang berbeda. Dengan mengamati sistem ini, mereka dapat melihat bahwa tingkat energi semua pembawa muatan menunjukkan bahwa fotokonduktivitas material meningkat pada suatu saat, yang menunjukkan tanda atau ingatan fase superkonduktor.

Pengamatan fonon yang koheren

Bagaimana mereka bisa melihat hal ini? Sebenarnya, di postingan sebelumnya, mereka mengamati perilaku fonon yang koheren (bukan acak) atau eksitasi kolektif atom dalam benda padat. Karena grafit mengandung serangkaian fonon yang sangat kuat (berenergi tinggi), grafit dapat secara efisien mentransfer sejumlah besar energi dari kristal tanpa merusak material melalui getaran mekanis kisi. Karena fonon koheren ini bergerak bolak-balik, seperti gelombang, elektron di dalam benda padat tampak mengikuti gelombang, menghasilkan tanda-tanda superkonduktivitas buatan yang diamati oleh tim.

Implikasi dan prospek masa depan

Hasil penelitian ini menunjukkan aplikasi yang menjanjikan di bidang sirkuit terpadu fotonik atau komputasi optik, menggunakan cahaya untuk memanipulasi elektron atau mengontrol sifat material dan memanipulasinya dengan cahaya. Seperti yang disimpulkan oleh Jens Bigert, “Dinamika banyak benda adalah intinya, dan bisa dibilang salah satu masalah paling menantang dalam fisika kontemporer. Hasil yang kami peroleh di sini membuka dunia fisika baru, menawarkan cara-cara baru untuk menyelidiki dan memanipulasi fase-fase yang saling berhubungan. materi secara real time, yang mana Mereka sangat penting untuk teknologi modern.

Referensi: “Peningkatan konduktivitas optik dan efek banyak benda dalam grafit semi-logam yang dikatalisis dengan kuat” oleh TPH Sidiropoulos dan N. Di Palo, DE Rivas, dan A. Musim Panas dan S. Severino dan M. Reduzzi dan J. Biegert, 16 November 2023, Komunikasi Alam.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Catatan

1. “Bagian atas meja yang lembut dan digerakkan oleh sub-siklus Bodis, 14 September 2014, Surat Optik.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Spektroskopi struktur halus dispersif lunak Barbara Buddis dan Frank Coppins, 19 Mei 2018, optik.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Garis attodetik di jendela air: sistem baru untuk mengkarakterisasi denyut attodetik” oleh Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2 November 2017, Tinjauan fisik.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030