Attoscienceは超伝導性の道を明らかにします。

ICFO研究者のAtocho Yellow X線分光法の進歩は、特に軽い物質相互作用と多体力学研究における材料分析を変え、将来の技術用途に有望な影響を与えました。

X線吸収分光法は、材料または材料の構成を研究するために最も広く使用されている分析技術の1つである要素選択的で電子状態に敏感な技術です。 最近まで、この方法は厳しい波長走査を必要とし、電子力学を研究するための超高速時間分解能を提供しませんでした。

過去10年間、ICFO Jens Biegert hのICREA教授が率いるICFO leのAttoscienceおよびUltrafast Opticsグループは、スキャンを必要とせず、アト秒時間を使用する新しい分析ツールとして、アトチョ軟X線吸収分光法を開発しました。 解決。^[1,2]

Attosecond Soft-X-ray分光法の画期的な発展

23 as～165 asの持続時間と120～600 eVの一貫したソフトX線帯域幅を有するアト秒軟X線パルス^[3] 物質の全電子構造を一度に調べることができます。

リアルタイムで電子の動きを検出する時間分解能と、変化が発生する場所を登録する一貫した帯域幅の組み合わせは、固体物理学と化学のための完全に新しい強力なツールを提供します。

グラファイトを強烈な超短距離中赤外レーザーパルスにさらすと、光学的に励起された電子が凝集性光学フォノンと強く結合するので、導電性の高い鉱物ハイブリッド位相が誘導されます。 光学的に強力に駆動される多体状態の観察は、アトチョ軟X線パルスを使用して励起された電子状態の寿命を研究することによって可能になりました。」クレジット：©ICFO

最も基本的に重要なプロセスの1つは、光と物質の相互作用です。 たとえば、植物から太陽エネルギーがどのように収穫されるか、または太陽電池が太陽光を電気に変換する方法を理解することです。

材料科学の本質的な側面は、光で物質や物質の量子状態や機能を変更できるという見方です。 材料の多体動力学の研究は、量子位相遷移を引き起こす要因や微細な相互作用で材料の特性がどのように発生するかなど、現代の物理学の重要な課題を解決します。

ICFO研究者の最近の研究

最近のジャーナルで発表された研究では ネイチャーコミュニケーションズICFOの研究者であるThemis Sidiropoulos、Nicola Di Palo、Adam Summers、Stefano Severino、Maurizio Reduzzi、およびJens Biegertは、材料の多体状態を操作して黒鉛の導電率の増加と制御を観察したと報告しています。

革新的な測定技術

研究者らは、1850nmでキャリア – エンベロープ – 位相安定サブ2サイクル光パルスを使用して、鉱物ハイブリッド状態を誘導しました。 彼らは、285eVでグラファイトの炭素K-最長で165の持続時間を有するアト秒軟X線パルスを用いて電子力学を調べた。 アト秒軟X線吸収測定は、アト秒間隔ポンプ-プローブ遅延段階で材料の全電子構造を調べた。 1850nmのポンプは物質の高い導電性状態を誘発し、これは光と物質の相互作用のためにのみ存在します。 したがって、それは軽い物質ハイブリッドと呼ばれます。

研究者は、平衡状態では存在しない材料の量子特性につながると予想され、これらの量子状態は本質的に最大数ＴＨｚの光学速度に変換することができるので、これらの条件に興味がある。

しかし、状態が材料の内部で正確にどのように現れるかはほとんど不明である。 したがって、光に誘起された超伝導性や他の位相位相に関する最近の報告には多くの推測があります。 ICFOの研究者らは、軽い物質状態が現れたときに「材料の内部を見る」ために初めてSoft-Xrayアト秒パルスを使用しました。

今回の研究の最初の著者であるThemis Sidiropoulosは、「一貫したプロービング、アト秒時間分解能、およびポンプとプローブ間のアト秒同期の要件は、まったく新しいものであり、アトチョ科学によって可能になった新しい調査です。に不可欠な要件です。」と言います。

グラファイトの電子力学

ツイストロニクスとツイストの二重層とは異なり グラフェン実験者が電子特性の変化を観察するためにサンプルを物理的に操作する場合、Sidiropoulosは「サンプルを操作するのではなく、強力な光パルスで材料を光学的に励起して電子を高エネルギー状態に励起し、これがどのように緩和されるかを観察個々にだけでなく、システム全体として、物質内でこれらの電荷キャリアと格子自体との間の相互作用を観察します。

強い光のパルスが加えられた後にグラファイトの電子がどのように緩和されるかを確認するために、彼らは広いX線スペクトルを撮影し、最初に各エネルギー状態が個々にどのように緩和するか、そして二番目に電子システム全体がどのように励起されるかを観察しました。 異なるエネルギーレベルで光、キャリア、核間の多体相互作用を観察します。 このシステムを観察することで、彼らはすべての電荷キャリアのエネルギーレベルが物質の光伝導度が一点で増加し、超伝導段階の痕跡や回想を示すことがわかりました。

凝集性フォノン観察

彼らはどのようにこれを見ることができましたか？ 実際、以前の刊行物では、彼らは、凝集性（ランダムではない）フォノンの挙動または固体中の原子の集団励起を観察した。 グラファイトには非常に強い（高エネルギー）フォノン配置があるため、格子の機械的振動によって材料を損傷することなく結晶から大量のエネルギーを効率的に伝達することができます。 そして、これらの凝集フォノンは波のように前後に動くので、固体内の電子が波に乗るように見え、チームが観察した人工超伝導特性を生成します。

示唆と将来の展望

この研究の結果は、光を用いて電子を操作するか、または光で物質特性を制御および操作する光子集積回路または光コンピューティングの分野で有望な用途を示している。 Jens Biegertは次のように結論を下しました。 「多体力学は重要であり、現代物理学の最も困難な問題の1つです。 私たちがここで得た結果は、物理学の新しい領域を開き、現代の技術にとって重要な物質の相関位相をリアルタイムで調査し操作するための新しい方法を提供します。

参考文献：TPH Sidiropoulos、N. Di Palo、DE Rivas、A. Summers、S. Severino、M. Reduzzi、およびJ. Biegertによる「強力に駆動される光励起半金属グラファイトの改善された光学伝導率および多体効果」、2023年11月16日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI: 10.1038/s41467-023-43191-5

ノート

1. 「カーボンKエッジ分光法のためのサブ2サイクル、CEP安定化、1.85m 1kHzパルスで駆動される高容量卓上軟X線源」オーサリング：F. Silva、S. Teichmann、M. Hemmer、SL Cousin、J. BiegertとB. Buades、2014年9月14日、 光学文字。
   DOI：doi：10.1364 / OL.39.005383
2. Iker León, Themistoklis PH Sidiropoulos, Irina Pi, Dooshaye Moonshiram, Antonio Picón, Jens Biegert, Nicola Di Palo, Peter Schmidt, Seth L. Cousin, 「アト秒パルスを用いた黒鉛の分散型軟X線吸収微細構造分光法」Bárbara BuadesとFrank Koppens、2018年5月19日、 オプティカ。
   DOI: doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. 「水窓のアトチョストライプ：アトチョパルス特性化の新しい枠組み」 – Seth L. Cousin、Nicola Di Palo、Bárbara Buades、Stephan M. Teichmann、M. Reduzzi、M. Devetta、A. Kheifets、G. Sansone、およびJens Biegert、 2017年11月2日、 物理レビューX。
   DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041030