Attoscience ilumina el camino hacia la superconductividad

Los avances en espectroscopia de rayos X blandos de attosegundos realizados por investigadores del ICFO han transformado el análisis de materiales, particularmente en el estudio de las interacciones luz-materia y la dinámica de muchos cuerpos, con implicaciones prometedoras para futuras aplicaciones tecnológicas.

La espectroscopia de absorción de rayos X es una técnica selectiva de elementos y sensible al estado electrónico, y es una de las técnicas analíticas más utilizadas para estudiar la estructura de sustancias o sustancias. Hasta hace poco, este método requería un laborioso escaneo de longitudes de onda y no proporcionaba una resolución temporal ultrarrápida para estudiar la dinámica electrónica.

Durante la última década, el grupo Attoscience and Ultrafast Optics del ICFO, dirigido por el profesor ICREA del ICFO Jens Biegert h, ha desarrollado la espectroscopía de absorción de rayos X suaves de attosegundos en una nueva herramienta analítica sin necesidad de escaneo y con resolución de attosegundos.^[1,2]

Un gran avance en la espectroscopia de rayos X blandos de attosegundos

Pulsos de rayos X suaves de attosegundos con una duración de 23 a 165 pies y un ancho de banda de rayos X suaves coherente asociado de 120 a 600 eV^[3] Permitiendo interrogar de una vez toda la estructura electrónica del material.

La combinación de la resolución temporal de la detección electrónica de movimiento en tiempo real y el ancho de banda coherente que registra dónde se produce el cambio proporciona una herramienta completamente nueva y poderosa para la física y la química del estado sólido.

La exposición del grafito a un pulso de láser infrarrojo medio ultracorto da lugar a una fase híbrida altamente conductora de materia fotónica, en la que los electrones ópticamente excitados están fuertemente acoplados a fonones fotónicos coherentes. La observación de un estado multicuerpo tan fuerte, que está ópticamente excitado, es posible estudiando la vida útil de los estados electrónicos excitados utilizando un suave pulso de rayos X de attosegundos. Crédito: ©ICFO

Uno de los procesos más importantes es la interacción de la luz con la materia, para entender, por ejemplo, cómo se recoge la energía solar en las plantas o cómo una célula solar convierte la luz solar en electricidad.

Un aspecto fundamental de la ciencia de los materiales es la posibilidad de que la luz pueda cambiar el estado o función cuántica de un material o materia. Esta investigación sobre la dinámica de muchos cuerpos de los materiales aborda desafíos fundamentales de la física contemporánea, como qué desencadena cualquier transición de fase cuántica o cómo surgen las propiedades de los materiales a partir de interacciones microscópicas.

Un estudio reciente realizado por investigadores del ICFO

En un estudio reciente publicado en la revista Comunicaciones de la naturalezaLos investigadores del ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi y Jens Bigert informan haber observado un aumento inducido por la luz y un control de la conductividad en el grafito mediante la manipulación del estado multicuerpo del material.

Técnicas de medición innovadoras

Los investigadores utilizaron pulsos de luz con un subciclo estable en la fase portadora y envueltos a 1850 nm para inducir el estado híbrido del material fotónico. Investigaron la dinámica electrónica utilizando pulsos de rayos X suaves de attosegundos con 165 km en el borde de carbono K del grafito a 285 eV. La absorciometría suave de rayos X de attosegundos investigó toda la estructura electrónica del material en pasos de retardo de bomba-sonda de attosegundos. La bomba a 1850 nm indujo un estado de alta conductividad en el material, que sólo existe debido a la interacción de la fotomateria; De ahí que se le llame híbrido de materia ligera.

Los investigadores están interesados ​​en estas condiciones porque se espera que den lugar a propiedades cuánticas de materiales que no existen en ningún otro estado de equilibrio, y estos estados cuánticos pueden cambiarse a velocidades ópticas fundamentales de hasta varios terahercios.

Sin embargo, no está claro cómo surgen exactamente los estados dentro de los materiales. Por lo tanto, en informes recientes se especula mucho sobre la superconductividad inducida por la luz y otras fases topológicas. Los investigadores del ICFO han utilizado por primera vez pulsos de rayos X suaves de attosegundos para “mirar el interior de la materia” y también mostrar el estado de la materia con luz.

«Los requisitos para una investigación coherente, resolución en tiempo de attosegundos y sincronización de attosegundos entre la bomba y la sonda son completamente nuevos y un requisito esencial para estas nuevas investigaciones permitidas por la ciencia de los attosegundos», señala el primer autor del estudio, Themis Sidiropoulos.

Dinámica electrónica en grafito.

A diferencia de las bobinas de electrones y las bicapas retorcidas. Grafeno«En lugar de manipular la muestra, excitamos ópticamente el material con un potente pulso de luz, excitando así los electrones a estados de alta energía y observando cómo estos electrones se relajan» dentro del material, no sólo individualmente sino como un sistema completo, monitoreando la interacción entre los portadores de carga y la propia red.

Para descubrir cómo se relajaban los electrones del grafito tras aplicar un fuerte pulso de luz, tomaron un amplio espectro de diferentes niveles de energía. Al observar este sistema, pudieron ver que los niveles de energía de todos los portadores de carga indicaban que la fotoconductividad del material aumentaba en algún punto, indicando firmas o recuerdos de la fase superconductora.

Observación de fonones coherentes.

¿Cómo pudieron ver esto? Bueno, de hecho, en una publicación anterior, observaron el comportamiento de fonones coherentes (en lugar de aleatorios) o la excitación colectiva de átomos dentro de un sólido. Debido a que el grafito contiene una serie de fonones muy fuertes (de alta energía), puede transferir eficientemente grandes cantidades de energía fuera del cristal sin dañar el material a través de las vibraciones mecánicas de la red. Debido a que estos fonones coherentes se mueven hacia adelante y hacia atrás, como una onda, los electrones dentro del sólido parecen montar la onda, generando las firmas de superconductividad artificial que observó el equipo.

Implicaciones y perspectivas de futuro

Los resultados de este estudio muestran aplicaciones prometedoras en el campo de los circuitos integrados fotónicos o la computación óptica, utilizando la luz para manipular electrones o controlar las propiedades de los materiales y manipularlos con luz. Como concluye Jens Bigert, «la dinámica de muchos cuerpos es el núcleo y posiblemente uno de los problemas más desafiantes de la física contemporánea. Los resultados que hemos obtenido aquí abren un nuevo mundo de la física, ofreciendo nuevas formas de investigar y manipular fases interconectadas». de materia en tiempo real, que son cruciales para las tecnologías modernas.

Referencia: “Conductividad óptica mejorada y efectos de muchos cuerpos en grafito semimetálico fuertemente fotocatalizado” por TPH Sidiropoulos y N. Di Palo, D. E. Rivas y A. Veranos y S. Severino y M. Reduzzi y J. Biegert, 16 de noviembre de 2023, Comunicaciones de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Notas

1. “Un software de sobremesa de alto flujo y subciclo impulsado Bodis, 14 de septiembre de 2014, Letras de Óptica.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Espectroscopia de estructura fina de blandos dispersivos. Barbara Bodis y Frank Coppins, 19 de mayo de 2018, optica.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Líneas de attosegundos en la ventana de agua: un nuevo sistema para caracterizar la pulsación de attosegundos” por Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2 de noviembre de 2017, Revisión física.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030