Die Röntgenabsorptionsspektroskopie, ein wesentliches Werkzeug in der Materialanalyse, hat sich mit der Einführung weicher Attosekunden-Röntgenimpulse weiterentwickelt. Diese Impulse ermöglichen die gleichzeitige Analyse der gesamten elektronischen Struktur eines Materials, ein Durchbruch unter der Leitung des ICFO-Teams. Eine aktuelle Studie demonstrierte die Manipulation der Leitfähigkeit von Graphit durch Licht-Materie-Wechselwirkung und deckte mögliche Anwendungen in photonischen Schaltkreisen und optischen Computern auf. Dieser Fortschritt in der Spektroskopie eröffnet neue Möglichkeiten zur Untersuchung der Vielteilchendynamik in Materialien, einer zentralen Herausforderung in der modernen Physik. Bildnachweis: SciTechDaily.com
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, die zu den am häufigsten verwendeten Analysetechniken zur Untersuchung der Zusammensetzung von Materialien oder Substanzen zählt. Bis vor Kurzem erforderte die Methode ein mühsames Wellenlängenscannen und bot keine ultraschnelle zeitliche Auflösung zur 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 weicher Röntgenstrahlen zu einem neuen Analysewerkzeug ohne die Notwendigkeit eines Scannens und mit Attosekunden-Zeitmessung entwickelt Auflösung.[1,2]
Durchbruch in der Attosekunden-Weichröntgenspektroskopie
Attosekunden-Weichröntgenpulse mit einer Dauer zwischen 23 as und 165 as und einer damit einhergehenden kohärenten Weichröntgenbandbreite von 120 bis 600 eV[3] ermöglichen die gleichzeitige Abfrage der gesamten elektronischen Struktur eines Materials.
Die Kombination aus Zeitauflösung zur Erkennung elektronischer Bewegung in Echtzeit und der kohärenten Bandbreite, die registriert, wo die Änderung stattfindet, bietet ein völlig neues und leistungsstarkes Werkzeug für die Festkörperphysik und -chemie.
Wird Graphit einem intensiven ultrakurzen Laserpuls im mittleren Infrarotbereich ausgesetzt, wird eine hochleitfähige Licht-Materie-Hybridphase induziert, da optisch angeregte Elektronen stark an kohärente optische Phononen koppeln. Die Beobachtung eines solch stark optisch getriebenen Vielteilchenzustands wird durch die Untersuchung der Lebensdauer der angeregten elektronischen Zustände mit einem Attosekunden-Weichröntgenpuls möglich.“ Bildnachweis: ©ICFO
Einer der grundlegendsten Prozesse ist die Wechselwirkung von Licht mit Materie, etwa um zu verstehen, wie Sonnenenergie in Pflanzen gewonnen wird oder wie eine Solarzelle Sonnenlicht in Strom umwandelt.
Ein wesentlicher Aspekt der Materialwissenschaft ist die Möglichkeit, den Quantenzustand oder die Funktion eines Materials oder einer Substanz mit Licht zu verändern. Solche Forschungen zur Vielteilchendynamik von Materialien befassen sich mit zentralen Herausforderungen der modernen Physik, etwa der Frage, was einen Quantenphasenübergang auslöst oder wie Eigenschaften von Materialien aus mikroskopischen Wechselwirkungen entstehen.
Aktuelle Studie von ICFO-Forschern
In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie NaturkommunikationDie ICFO-Forscher Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi und Jens Biegert berichten, dass sie einen lichtinduzierten Anstieg und eine Kontrolle der Leitfähigkeit in Graphit durch Manipulation des Vielkörperzustands des Materials beobachtet haben.
Innovative Messtechniken
Die Forscher verwendeten optische Sub-2-Zyklus-Pulse mit Träger-Hüllkurven-Phasenstabilität bei 1850 nm, um den Licht-Materie-Hybridzustand zu induzieren. Sie untersuchten die elektronische Dynamik mit Attosekunden-Weichröntgenpulsen mit einer Dauer von 165 eV an der Kohlenstoff-K-Kante von Graphit bei 285 eV. Die Attosekunden-Absorptionsmessung weicher Röntgenstrahlung untersuchte die gesamte elektronische Struktur des Materials in Pump-Probe-Verzögerungsschritten im Attosekunden-Intervall. Die Pumpe bei 1850 nm induzierte einen Zustand hoher Leitfähigkeit im Material, der nur aufgrund der Licht-Materie-Wechselwirkung existiert; Daher wird es als Licht-Materie-Hybrid bezeichnet.
Forscher sind an solchen Bedingungen interessiert, da von ihnen erwartet wird, dass sie zu Quanteneigenschaften von Materialien führen, die sonst im Gleichgewicht nicht existieren, und diese Quantenzustände im Wesentlichen mit optischen Geschwindigkeiten bis zu vielen THz umgeschaltet werden können.
Es ist jedoch weitgehend unklar, wie sich die Zustände im Inneren von Materialien genau manifestieren. Daher gibt es in jüngsten Berichten viele Spekulationen über lichtinduzierte Supraleitung und andere topologische Phasen. ICFO-Forscher verwendeten zum ersten Mal weiche Röntgen-Attosekundenpulse, um „in das Material hineinzuschauen“, während sich der Licht-Materie-Zustand manifestiert.
Der Erstautor der Studie, Themis Sidiropoulos, stellt fest: „Die Anforderung an kohärente Sondierung, Attosekunden-Zeitauflösung und Attosekunden-Synchronisation zwischen Pumpe und Sonde ist völlig neu und eine wesentliche Voraussetzung für solche neuen Untersuchungen, die durch die Attosekundenwissenschaft ermöglicht werden.“
Elektronendynamik in Graphit
Im Gegensatz zu Twistronics und Twisted Bilayer GraphenDabei manipulieren Experimentatoren die Proben physikalisch, um die Veränderungen der elektronischen Eigenschaften zu beobachten. Sidiropoulos erklärt: „Anstatt die Probe zu manipulieren, regen wir das Material optisch mit einem starken Lichtpuls an, regen so die Elektronen in hochenergetische Zustände an und beobachten, wie diese entspannen.“ innerhalb des Materials, nicht nur einzeln, sondern als Gesamtsystem, und dabei die Wechselwirkung zwischen diesen Ladungsträgern und dem Gitter selbst beobachtet.“
Um zu sehen, wie sich die Elektronen im Graphit nach dem Einwirken des starken Lichtpulses entspannten, nahmen sie das breite Röntgenspektrum auf und beobachteten erstens, wie sich jeder Energiezustand einzeln entspannte und zweitens, wie das gesamte Elektronensystem angeregt wurde Beobachten Sie die Vielteilchenwechselwirkung zwischen Licht, Trägern und Kernen auf verschiedenen Energieniveaus. Durch die Beobachtung dieses Systems konnten sie erkennen, dass die Energieniveaus aller Ladungsträger darauf hindeuteten, dass die optische Leitfähigkeit des Materials an einem Punkt zunahm, was Signaturen oder Anklänge an eine Supraleitungsphase aufwies.
Beobachtung kohärenter Phononen
Wie konnten sie das sehen? Tatsächlich haben sie in einer früheren Veröffentlichung das Verhalten kohärenter (nicht zufälliger) Phononen oder die kollektive Anregung der Atome innerhalb des Festkörpers beobachtet. Da Graphit über eine Reihe sehr starker (energiereicher) Phononen verfügt, können diese erhebliche Energiemengen effizient vom Kristall wegtransportieren, ohne das Material durch mechanische Schwingungen des Gitters zu beschädigen. Und weil sich diese kohärenten Phononen wie eine Welle hin und her bewegen, scheinen die Elektronen im Festkörper auf der Welle zu reiten und die vom Team beobachteten künstlichen Supraleitungssignaturen 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 und Manipulation von Materialeigenschaften mit Licht verwendet wird. Jens Biegert kommt zu dem Schluss: „Die Vielteilchendynamik ist der Kern und wohl eines der anspruchsvollsten Probleme der zeitgenössischen Physik.“ Die hier erzielten Ergebnisse eröffnen ein neues Reich der Physik und bieten neuartige Möglichkeiten zur Untersuchung und Manipulation korrelierter Phasen der Materie in Echtzeit, die für moderne Technologien von entscheidender Bedeutung sind.“
Referenz: „Verbesserte optische Leitfähigkeit und Vielteilcheneffekte in stark angetriebenem fotoangeregtem halbmetallischem Graphit“ von TPH Sidiropoulos, N. Di Palo, DE Rivas, A. Summers, S. Severino, M. Reduzzi und J. Biegert , 16. November 2023, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-023-43191-5
Anmerkungen
- „Hochfluss-Tischquelle für weiche Röntgenstrahlung, angetrieben durch CEP-stabile 1,85-m-1-kHz-Impulse im Sub-2-Zyklus für die Kohlenstoff-K-Kanten-Spektroskopie“ von F. Silva, S. Teichmann, M. Hemmer, SL Cousin, J. Biegert und B. Buades, 14. September 2014, Optikbriefe.
DOI: doi:10.1364/OL.39.005383 - „Dispersive weiche Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie in Graphit mit einem Attosekundenpuls“ von Iker León, Themistoklis PH Sidiropoulos, Irina Pi, Dooshaye Moonshiram, Antonio Picón, Jens Biegert, Nicola Di Palo, Peter Schmidt, Seth L. Cousin, Bárbara Buades und Frank Koppens, 19. Mai 2018, Optik.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.5.000502 - „Attosecond Streaking in the Water Window: A New Regime of Attosecond Pulse Characterization“ von Seth L. Cousin, Nicola Di Palo, Bárbara Buades, Stephan M. Teichmann, M. Reduzzi, M. Devetta, A. Kheifets, G. Sansone und Jens Biegert, 2. November 2017, Körperliche Untersuchung X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041030