Những tiến bộ trong quang phổ tia X mềm atto giây của các nhà nghiên cứu ICFO đã làm thay đổi việc phân tích vật liệu, đặc biệt là trong nghiên cứu về tương tác ánh sáng-vật chất và động lực học nhiều vật thể, với những hàm ý đầy hứa hẹn cho các ứng dụng công nghệ trong tương lai.

Quang phổ hấp thụ tia X là một kỹ thuật chọn lọc nguyên tố và nhạy cảm với trạng thái điện tử, đồng thời là một trong những kỹ thuật phân tích được sử dụng rộng rãi nhất để nghiên cứu cấu trúc của các chất hoặc các chất. Cho đến gần đây, phương pháp này yêu cầu quét bước sóng tốn nhiều công sức và không cung cấp độ phân giải thời gian cực nhanh để nghiên cứu động lực học điện tử.

Trong thập kỷ qua, nhóm Attoscience và Quang học cực nhanh tại ICFO, do Giáo sư ICREA tại ICFO Jens Biegert h đứng đầu, đã phát triển phương pháp quang phổ hấp thụ tia X mềm attosecond thành một công cụ phân tích mới mà không cần quét và có độ phân giải attosecond.^[1,2]

Bước đột phá trong quang phổ tia X mềm atto giây

Các xung tia X mềm Atto giây có thời lượng từ 23 đến 165 ft và băng thông tia X mềm kết hợp liên quan từ 120 đến 600 eV^[3] Cho phép thẩm vấn toàn bộ cấu trúc điện tử của vật liệu cùng một lúc.

Việc kết hợp độ phân giải thời gian của phát hiện chuyển động điện tử theo thời gian thực và băng thông nhất quán ghi lại nơi xảy ra thay đổi mang lại một công cụ hoàn toàn mới và mạnh mẽ cho vật lý và hóa học trạng thái rắn.

Việc cho than chì tiếp xúc với xung laser hồng ngoại trung cực cực ngắn sẽ tạo ra pha lai có độ dẫn điện cao của vật chất quang tử, trong đó các electron bị kích thích quang học được liên kết mạnh với các phonon quang tử kết hợp. Việc quan sát trạng thái đa vật mạnh như vậy, bị kích thích về mặt quang học, có thể thực hiện được bằng cách nghiên cứu thời gian sống của các trạng thái điện tử bị kích thích bằng cách sử dụng xung tia X mềm atto giây. Tín dụng: ©ICFO

Một trong những quá trình quan trọng nhất là sự tương tác của ánh sáng với vật chất, chẳng hạn như để hiểu cách thu hoạch năng lượng mặt trời ở thực vật hoặc cách pin mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng.

Một khía cạnh cơ bản của khoa học vật liệu là khả năng trạng thái lượng tử hoặc chức năng của vật liệu hoặc vật chất có thể bị thay đổi bởi ánh sáng. Nghiên cứu như vậy về động lực học nhiều vật thể giải quyết những thách thức cơ bản trong vật lý hiện đại, chẳng hạn như điều gì gây ra bất kỳ sự chuyển đổi pha lượng tử nào hoặc cách thức các đặc tính vật chất phát sinh từ các tương tác vi mô.

Một nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu từ ICFO

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Truyền thông thiên nhiênCác nhà nghiên cứu của ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi và Jens Bigert báo cáo quan sát thấy sự gia tăng và kiểm soát độ dẫn điện do ánh sáng gây ra trong than chì bằng cách điều khiển trạng thái đa vật thể của vật liệu.

Kỹ thuật đo lường tiên tiến

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các xung ánh sáng có chu trình con ổn định trong pha sóng mang và được bao bọc ở bước sóng 1850 nm để tạo ra trạng thái lai của vật liệu quang tử. Họ nghiên cứu động lực học điện tử bằng cách sử dụng các xung tia X mềm atto giây truyền đi 165 km ở rìa cacbon K của than chì ở điện áp 285 eV. Phép đo hấp thụ tia X mềm attosecond đã thẩm vấn toàn bộ cấu trúc điện tử của vật liệu ở các bước trì hoãn đầu dò bơm-đầu dò attosecond. Máy bơm ở bước sóng 1850 nm tạo ra trạng thái dẫn điện cao trong vật liệu, trạng thái này chỉ tồn tại do tương tác vật chất quang; Do đó nó được gọi là vật chất lai.

Các nhà nghiên cứu quan tâm đến những điều kiện như vậy vì chúng được cho là sẽ làm phát sinh các tính chất lượng tử của vật liệu không tồn tại ở trạng thái cân bằng nào khác, và những trạng thái lượng tử này có thể chuyển đổi ở tốc độ quang học cơ bản lên tới vài terahertz.

Tuy nhiên, phần lớn vẫn chưa rõ chính xác các trạng thái xuất hiện bên trong vật liệu như thế nào. Do đó, có nhiều suy đoán trong các báo cáo gần đây về tính siêu dẫn do ánh sáng gây ra và các pha tôpô khác. Các nhà nghiên cứu ICFO lần đầu tiên đã sử dụng xung atto giây của tia X mềm để “nhìn vào bên trong vật chất” và cũng chỉ ra trạng thái của vật chất bằng ánh sáng.

Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, Themis Sidiropoulos, lưu ý: “Các yêu cầu về điều tra mạch lạc, độ phân giải thời gian atto giây và đồng bộ hóa atto giây giữa máy bơm và đầu dò là hoàn toàn mới và là yêu cầu thiết yếu đối với những cuộc điều tra mới như vậy được hỗ trợ bởi khoa học atto giây”.

Động lực điện tử trong than chì

Không giống như cuộn dây điện tử và hai lớp xoắn Graphene“Thay vì thao tác với mẫu, chúng tôi kích thích quang học vật liệu bằng một xung ánh sáng mạnh, từ đó kích thích các electron lên trạng thái năng lượng cao và quan sát cách các electron này giãn ra” bên trong vật liệu, không chỉ riêng lẻ mà cả một hệ thống hoàn chỉnh, theo dõi tương tác giữa các hạt mang điện và chính mạng.

Để tìm hiểu xem các electron trong than chì giãn ra như thế nào sau khi tác dụng một xung ánh sáng mạnh, họ đã thực hiện một phổ rộng ở các mức năng lượng khác nhau. Bằng cách quan sát hệ thống này, họ có thể thấy rằng mức năng lượng của tất cả các hạt mang điện cho thấy độ quang dẫn của vật liệu tăng lên ở một điểm nào đó, cho thấy dấu hiệu hoặc ký ức của pha siêu dẫn.

Quan sát các phonon kết hợp

Làm thế nào họ có thể nhìn thấy điều này? Thực ra, trong bài đăng trước, họ đã quan sát hành vi của các phonon kết hợp (chứ không phải ngẫu nhiên) hoặc sự kích thích tập thể của các nguyên tử trong chất rắn. Bởi vì than chì chứa một dãy phonon rất mạnh (năng lượng cao), nên nó có thể truyền một lượng lớn năng lượng ra khỏi tinh thể một cách hiệu quả mà không làm hỏng vật liệu thông qua các dao động cơ học của mạng tinh thể. Do các phonon kết hợp này chuyển động qua lại, giống như một làn sóng, nên các electron bên trong chất rắn dường như cưỡi sóng, tạo ra các dấu hiệu của tính siêu dẫn nhân tạo mà nhóm nghiên cứu đã quan sát được.

Ý nghĩa và triển vọng trong tương lai

Kết quả nghiên cứu này cho thấy những ứng dụng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực mạch tích hợp quang tử hoặc điện toán quang học, sử dụng ánh sáng để điều khiển các electron hoặc điều khiển tính chất của vật liệu và điều khiển chúng bằng ánh sáng. Như Jens Bigert kết luận, “Động lực học của nhiều vật là cốt lõi của nó, và được cho là một trong những vấn đề thách thức nhất trong vật lý đương đại. Các kết quả chúng tôi thu được ở đây mở ra một thế giới vật lý mới, đưa ra những cách mới để nghiên cứu và điều khiển các pha liên kết với nhau của vật chất trong thời gian thực, điều này rất quan trọng đối với các công nghệ hiện đại.

Tham khảo: “Tăng cường độ dẫn quang và hiệu ứng nhiều vật thể trong than chì bán kim loại được xúc tác quang mạnh” của TPH Sidiropoulos và N. Di Palo, D. E. Rivas, và A. Summers và S. Severino và M. Reduzzi và J. Biegert, ngày 16 tháng 11 năm 2023, Truyền thông thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Ghi chú

1. “Một loại vật liệu mềm để bàn có thông lượng cao, được điều khiển theo chu trình phụ Bodis, ngày 14 tháng 9 năm 2014, Chữ cái quang học.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Quang phổ cấu trúc tinh tế của vật liệu mềm phân tán Barbara Buddis và Frank Coppins, ngày 19 tháng 5 năm 2018, quang học.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Các đường Atto giây trong cửa sổ nước: một hệ thống mới để mô tả đặc điểm xung atto giây” của Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, ngày 2 tháng 11 năm 2017, Đánh giá vật lý.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030