Attoscience ebnet den Weg zur Supraleitung

Fortschritte in der Attosekunden-Weichröntgenspektroskopie durch ICFO-Forscher haben die Materialanalyse verändert, insbesondere bei der Untersuchung von Licht-Materie-Wechselwirkungen und der Vielteilchendynamik, mit vielversprechenden Auswirkungen auf zukünftige technologische Anwendungen.

Die Röntgenabsorptionsspektroskopie ist eine elementselektive und elektronische zustandsempfindliche Technik und eine der am häufigsten verwendeten Analysetechniken zur Untersuchung der Struktur von Substanzen oder Stoffen. Bis vor kurzem erforderte diese Methode ein aufwendiges Wellenlängenscannen und bot keine ultraschnelle zeitliche Auflösung für die Untersuchung der elektronischen Dynamik.

Im letzten Jahrzehnt hat die Gruppe „Attoscience and Ultrafast Optics“ am ICFO unter der Leitung von ICREA-Professor am ICFO Jens Biegert h die Attosekunden-Absorptionsspektroskopie für weiche Röntgenstrahlen zu einem neuen Analysewerkzeug ohne die Notwendigkeit eines Scannens und mit Attosekundenauflösung entwickelt.^[1,2]

Ein Durchbruch in der Attosekunden-Weichröntgenspektroskopie

Attosekunden-Pulse weicher Röntgenstrahlung mit einer Dauer von 23 bis 165 Fuß und einer damit verbundenen kohärenten Bandbreite weicher Röntgenstrahlung von 120 bis 600 eV^[3] Dadurch kann die gesamte elektronische Struktur des Materials auf einmal abgefragt werden.

Durch die Kombination der Zeitauflösung der elektronischen Bewegungserkennung in Echtzeit und der kohärenten Bandbreite, die aufzeichnet, wo die Änderung auftritt, entsteht ein völlig neues und leistungsstarkes Werkzeug für die Festkörperphysik und -chemie.

Wird Graphit einem ultrakurzen Laserpuls im mittleren Infrarotbereich ausgesetzt, entsteht eine hochleitende Hybridphase photonischer Materie, in der optisch angeregte Elektronen stark an kohärente photonische Phononen gekoppelt sind. Die Beobachtung eines so starken Mehrkörperzustands, der optisch angeregt wird, wird durch die Untersuchung der Lebensdauer angeregter elektronischer Zustände mithilfe eines weichen Attosekunden-Röntgenpulses ermöglicht. Bildnachweis: ©ICFO

Einer der wichtigsten Prozesse ist die Wechselwirkung von Licht mit Materie, um beispielsweise zu verstehen, wie Sonnenenergie in Pflanzen gewonnen wird oder wie eine Solarzelle Sonnenlicht in Strom umwandelt.

Ein grundlegender Aspekt der Materialwissenschaft ist die Möglichkeit, dass der Quantenzustand oder die Quantenfunktion eines Materials oder einer Materie durch Licht verändert werden kann. Solche Forschungen zur Vielteilchendynamik von Materialien befassen sich mit grundlegenden Herausforderungen der modernen Physik, etwa der Frage, was einen Quantenphasenübergang auslöst oder wie Materialeigenschaften aus mikroskopischen Wechselwirkungen entstehen.

Eine aktuelle Studie von Forschern des ICFO

In einer aktuellen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde NaturkommunikationDie ICFO-Forscher Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi und Jens Bigert berichten über die Beobachtung einer lichtinduzierten Erhöhung und Kontrolle der Leitfähigkeit in Graphit durch Manipulation des Mehrkörperzustands des Materials.

Innovative Messtechniken

Die Forscher verwendeten Lichtpulse mit stabilem Unterzyklus in der Trägerphase und einer Einhüllung bei 1850 nm, um den Hybridzustand des photonischen Materials zu induzieren. Sie untersuchten die elektronische Dynamik mithilfe weicher Attosekunden-Röntgenpulse mit 165 km an der Kohlenstoff-K-Kante von Graphit bei 285 eV. Die Attosekunden-Absorptiometrie mit weicher Röntgenstrahlung untersuchte die gesamte elektronische Struktur des Materials in Pump-Probe-Verzögerungsschritten von Attosekunden. Die Pumpe bei 1850 nm induzierte einen Zustand hoher Leitfähigkeit im Material, der nur aufgrund der Photomaterie-Wechselwirkung existiert; Daher wird es Hybrid aus leichter Materie genannt.

Forscher sind an solchen Bedingungen interessiert, weil sie Quanteneigenschaften von Materialien hervorrufen sollen, die in keinem anderen Gleichgewichtszustand existieren, und diese Quantenzustände mit grundlegenden optischen Geschwindigkeiten von bis zu mehreren Terahertz umgeschaltet werden können.

Es ist jedoch weitgehend unklar, wie genau Zustände innerhalb von Materialien entstehen. Daher gibt es in jüngsten Berichten viele Spekulationen über lichtinduzierte Supraleitung und andere topologische Phasen. ICFO-Forscher haben erstmals Attosekundenpulse weicher Röntgenstrahlung genutzt, um „in das Innere der Materie zu blicken“ und auch den Zustand der Materie mit Licht darzustellen.

„Die Anforderungen an kohärente Untersuchungen, Attosekunden-Zeitauflösung und Attosekunden-Synchronisation zwischen Pumpe und Sonde sind völlig neu und eine wesentliche Voraussetzung für solche neuen Untersuchungen, die durch die Attosekundenwissenschaft ermöglicht werden“, bemerkt der Erstautor der Studie, Themis Sidiropoulos.

Elektronendynamik in Graphit

Im Gegensatz zu Elektronenspulen und verdrillten Doppelschichten Graphen„Anstatt die Probe zu manipulieren, regen wir das Material optisch mit einem starken Lichtimpuls an, regen dadurch die Elektronen in hochenergetische Zustände an und beobachten, wie sich diese Elektronen innerhalb des Materials entspannen“, und zwar nicht nur einzeln, sondern als Gesamtsystem Wechselwirkung zwischen Ladungsträgern und dem Netzwerk selbst.

Um herauszufinden, wie sich die Elektronen im Graphit nach der Anwendung eines starken Lichtimpulses entspannten, untersuchten sie ein breites Spektrum verschiedener Energieniveaus. Durch die Beobachtung dieses Systems konnten sie erkennen, dass die Energieniveaus aller Ladungsträger darauf hinwiesen, dass die Fotoleitfähigkeit des Materials irgendwann zunahm, was auf Signaturen oder Erinnerungen der supraleitenden Phase hindeutete.

Beobachtung kohärenter Phononen

Wie konnten sie das sehen? Tatsächlich haben sie in einem früheren Beitrag das Verhalten kohärenter (und nicht zufälliger) Phononen oder die kollektive Anregung von Atomen innerhalb eines Festkörpers beobachtet. Da Graphit eine Reihe sehr starker (energiereicher) Phononen enthält, kann er große Energiemengen effizient vom Kristall wegleiten, ohne das Material durch die mechanischen Schwingungen des Gitters zu beschädigen. Da sich diese kohärenten Phononen wie eine Welle hin und her bewegen, scheinen die Elektronen im Inneren des Festkörpers auf der Welle zu reiten und so die vom Team beobachteten Signaturen künstlicher Supraleitung zu erzeugen.

Implikationen und Zukunftsaussichten

Die Ergebnisse dieser Studie zeigen vielversprechende Anwendungen im Bereich photonischer integrierter Schaltkreise oder optischer Computer, bei denen Licht zur Manipulation von Elektronen oder zur Steuerung der Eigenschaften von Materialien und zur Manipulation dieser mit Licht eingesetzt wird. Jens Bigert kommt zu dem Schluss: „Die Vielteilchendynamik ist ihr Kernstück und wohl eines der anspruchsvollsten Probleme der zeitgenössischen Physik. Die Ergebnisse, die wir hier erzielt haben, eröffnen eine neue Welt der Physik und bieten neue Möglichkeiten zur Untersuchung und Manipulation miteinander verbundener Phasen.“ der Materie in Echtzeit, die für moderne Technologien von entscheidender Bedeutung sind.

Referenz: „Verbesserte optische Leitfähigkeit und Vielteilcheneffekte in stark photokatalysiertem halbmetallischem Graphit“ von TPH Sidiropoulos und N. Di Palo, D. E. Rivas und A. Summers und S. Severino und M. Reduzzi und J. Biegert, 16. November 2023, Naturkommunikation.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Anmerkungen

1. „Ein teilzyklusbetriebener Tischweichreiniger mit hohem Fluss Bodis, 14. September 2014, Optikbriefe.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. „Feinstrukturspektroskopie von dispersiver Weichheit Barbara Buddis und Frank Coppins, 19. Mai 2018, Optik.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. „Attosekundenlinien im Wasserfenster: ein neues System zur Charakterisierung der Attosekundenpulsation“ von Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2. November 2017, Körperliche Überprüfung.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030