Os avanços na espectroscopia de raios X suaves de attossegundos por pesquisadores do ICFO transformaram a análise de materiais, particularmente no estudo de interações luz-matéria e dinâmica de muitos corpos, com implicações promissoras para futuras aplicações tecnológicas.

A espectroscopia de absorção de raios X é uma técnica seletiva de elementos e sensível ao estado eletrônico, e é uma das técnicas analíticas mais amplamente utilizadas para estudar a estrutura de substâncias ou substâncias. Até recentemente, esse método exigia uma varredura trabalhosa de comprimento de onda e não fornecia resolução temporal ultrarrápida para o estudo da dinâmica eletrônica.

Na última década, o grupo Attoscience e Ultrafast Optics do ICFO, liderado pelo professor ICREA do ICFO Jens Biegert h, desenvolveu a espectroscopia de absorção de raios X suaves de attossegundos em uma nova ferramenta analítica sem a necessidade de digitalização e com resolução de attossegundos.^[1,2]

Um avanço na espectroscopia de raios X suaves em attossegundos

Pulsos de raios X suaves de attosegundos com duração de 23 a 165 pés e uma largura de banda de raios X suaves coerente associada de 120 a 600 eV^[3] Permitindo que toda a estrutura eletrônica do material seja interrogada de uma só vez.

A combinação da resolução temporal da detecção eletrônica de movimento em tempo real e da largura de banda coerente que registra onde a mudança ocorre fornece uma ferramenta totalmente nova e poderosa para a física e a química do estado sólido.

A exposição da grafite a um pulso de laser ultracurto no infravermelho médio dá origem a uma fase híbrida altamente condutora de matéria fotônica, na qual elétrons opticamente excitados são fortemente acoplados a fônons fotônicos coerentes. A observação de um estado multicorpo tão forte, que é excitado opticamente, é possível através do estudo dos tempos de vida dos estados eletrônicos excitados usando um pulso de raios X suave de attossegundos. Crédito: ©ICFO

Um dos processos mais importantes é a interação da luz com a matéria, por exemplo, para compreender como a energia solar é captada nas plantas ou como uma célula solar converte a luz solar em eletricidade.

Um aspecto fundamental da ciência dos materiais é a possibilidade de que o estado quântico, ou função, de um material ou matéria possa ser alterado pela luz. Essa pesquisa sobre a dinâmica de muitos corpos dos materiais aborda desafios fundamentais da física contemporânea, como o que desencadeia qualquer transição de fase quântica ou como as propriedades dos materiais surgem de interações microscópicas.

Um estudo recente conduzido por pesquisadores do ICFO

Em um estudo recente publicado na revista Comunicações da NaturezaOs pesquisadores do ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi e Jens Bigert relatam observar um aumento induzido pela luz e controle da condutividade no grafite, manipulando o estado multicorpo do material.

Técnicas de medição inovadoras

Os pesquisadores usaram pulsos de luz com subciclo estável na fase portadora e envelopados em 1850 nm para induzir o estado híbrido do material fotônico. Eles investigaram a dinâmica eletrônica usando pulsos suaves de raios X de attossegundos com 165 km na borda do carbono K do grafite a 285 eV. A absorciometria de raios X suave de attosegundo interrogou toda a estrutura eletrônica do material em etapas de atraso da bomba-sonda de attosegundo. A bomba a 1850 nm induziu um estado de alta condutividade no material, que só existe devido à interação da fotomatéria; Por isso é chamado de híbrido de matéria leve.

Os pesquisadores estão interessados ​​em tais condições porque se espera que dêem origem a propriedades quânticas de materiais que não existem em nenhum outro estado de equilíbrio, e esses estados quânticos podem ser alterados em velocidades ópticas fundamentais de até vários terahertz.

No entanto, não está claro como exatamente os estados emergem nos materiais. Conseqüentemente, há muita especulação em relatórios recentes sobre a supercondutividade induzida pela luz e outras fases topológicas. Os pesquisadores do ICFO usaram pulsos de raios X suaves de attossegundos pela primeira vez para “olhar dentro da matéria” e também mostrar o estado da matéria com luz.

“Os requisitos para investigação coerente, resolução de tempo em attossegundos e sincronização em attossegundos entre a bomba e a sonda são completamente novos e um requisito essencial para tais novas investigações possibilitadas pela ciência dos attossegundos”, observa o primeiro autor do estudo, Themis Sidiropoulos.

Dinâmica de elétrons em grafite

Ao contrário das bobinas de elétrons e das bicamadas torcidas Grafeno“Em vez de manipular a amostra, excitamos opticamente o material com um poderoso pulso de luz, excitando assim os elétrons para estados de alta energia e observando como esses elétrons relaxam” dentro do material, não apenas individualmente, mas como um sistema completo, monitore o interação entre as operadoras de carga e a própria rede.

Para descobrir como os elétrons do grafite relaxavam após a aplicação de um forte pulso de luz, eles analisaram um amplo espectro de diferentes níveis de energia. Ao observar este sistema, puderam constatar que os níveis de energia de todos os portadores de carga indicavam que a fotocondutividade do material aumentou em algum ponto, indicando assinaturas ou memórias da fase supercondutora.

Observação de fônons coerentes

Como eles conseguiram ver isso? Bem, na verdade, em um post anterior, eles observaram o comportamento de fônons coerentes (em vez de aleatórios) ou excitação coletiva de átomos dentro de um sólido. Como o grafite contém um conjunto de fônons muito fortes (de alta energia), ele pode transferir eficientemente grandes quantidades de energia para longe do cristal sem danificar o material através das vibrações mecânicas da rede. Como estes fônons coerentes se movem para frente e para trás, como uma onda, os elétrons dentro do sólido parecem surfar a onda, gerando as assinaturas de supercondutividade artificial que a equipe observou.

Implicações e perspectivas futuras

Os resultados deste estudo mostram aplicações promissoras na área de circuitos integrados fotônicos ou computação óptica, utilizando luz para manipular elétrons ou controlar as propriedades de materiais e manipulá-los com luz. Como Jens Bigert conclui: “A dinâmica de muitos corpos está em sua essência e é indiscutivelmente um dos problemas mais desafiadores da física contemporânea. Os resultados que obtivemos aqui abrem um novo mundo da física, oferecendo novas maneiras de investigar e manipular fases interconectadas da matéria em tempo real, que são cruciais para as tecnologias modernas.

Referência: “Condutividade óptica aprimorada e efeitos de muitos corpos em grafite semimetálica fortemente fotocatalisada” por TPH Sidiropoulos e N. Di Palo, D.E. Rivas, and A. Summers e S. Severino e M. Reduzzi e J. Biegert, 16 de novembro de 2023, Comunicações da Natureza.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Notas

1. “Um soft-top de mesa de alto fluxo, acionado por subciclo Bodis, 14 de setembro de 2014, Cartas Ópticas.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Espectroscopia de estrutura fina de soft dispersiva Barbara Bodis e Frank Coppins, 19 de maio de 2018, óptica.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Linhas de attossegundos na janela da água: um novo sistema para caracterizar a pulsação de attossegundos” por Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2 de novembro de 2017, Revisão física.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030