La espectroscopia de absorción de rayos X es una técnica selectiva de elementos y sensible al estado electrónico que es una de las técnicas analíticas más utilizadas para estudiar la composición de materiales o sustancias. Hasta hace poco, el método requería un arduo 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, ha desarrollado la espectroscopía de absorción de rayos X suaves de attosegundos en una nueva herramienta analítica sin necesidad de escaneo y con resolución temporal de attosegundos. /P>
Los pulsos de rayos X suaves de attosegundos con una duración de entre 23 attosegundos (as) y 165 as y un ancho de banda de rayos X suaves coherente concomitante de 120 a 600 eV permiten interrogar toda la estructura electrónica de un material a la vez. La combinación de resolución temporal para detectar movimiento electrónico en tiempo real y el ancho de banda coherente que registra dónde ocurre el cambio proporciona una herramienta completamente nueva y poderosa para la física y la química del estado sólido.
Uno de los procesos más importantes es la interacción de la luz con la materia, por ejemplo para comprender cómo se recolecta la energía solar en las plantas o cómo una célula solar convierte la luz solar en electricidad. Un aspecto esencial de la ciencia de los materiales es la posibilidad de alterar el estado cuántico, o la función, de un material o sustancia con luz.
Esta investigación sobre la dinámica de muchos cuerpos de los materiales aborda desafíos centrales 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.
En un estudio reciente publicado en Nature Communications , los investigadores del ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi y Jens Biegert informan de haber observado un aumento inducido por la luz y un control de la conductividad en el grafito mediante la manipulación del estado de muchos cuerpos del material. /P>
Los investigadores utilizaron pulsos ópticos de sub2 ciclos estables en fase de envolvente portadora a 1850 nm para inducir el estado híbrido de materia ligera. Sondearon la dinámica electrónica con pulsos de rayos X suaves de attosegundos con una duración de 165 en el borde K de carbono del grafito a 285 eV. La medición de la absorción de rayos X suaves de attosegundos investigó toda la estructura electrónica del material en pasos de retardo de la sonda de bomba con intervalos de attosegundos.
La bomba a 1850 nm indujo un estado de alta conductividad en el material, que sólo existe debido a la interacción luz-materia; por eso se le llama híbrido de materia ligera.
Los investigadores están interesados en estas condiciones, ya que se espera que conduzcan a propiedades cuánticas de materiales que de otro modo no existirían en equilibrio, y estos estados cuánticos pueden conmutarse a velocidades esencialmente ópticas de hasta muchos THz. Sin embargo, no está claro cómo se manifiestan exactamente los estados dentro de los materiales.
Por tanto, existe mucha especulación en informes recientes sobre la superconductividad inducida por la luz y otras fases topológicas. Los investigadores del ICFO utilizaron pulsos de attosegundos de rayos X suaves por primera vez para "mirar dentro del material" a medida que se manifiesta el estado de materia luminosa.
El primer autor del estudio, Themis Sidiropoulos, señala que "el requisito de un sondeo coherente, una resolución temporal de attosegundos y una sincronización de attosegundos entre la bomba y la sonda es totalmente novedoso y un requisito esencial para estas nuevas investigaciones que permite la ciencia de los attosegundos".
A diferencia de la twistrónica y el grafeno bicapa retorcido, donde los experimentadores manipulan las muestras físicamente para observar los cambios en las propiedades electrónicas, Sidiropoulos explica que "en lugar de manipular la muestra, excitamos ópticamente el material con un potente pulso de luz, excitando así los electrones a alta energía". estados y observar cómo estos se relajan dentro del material, no sólo individualmente sino como un sistema completo, observando la interacción entre estos portadores de carga y la propia red."
Para ver cómo se relajaban los electrones en el grafito después de aplicar el fuerte pulso de luz, tomaron el amplio espectro de rayos X y observaron, en primer lugar, cómo cada estado de energía se relajaba individualmente y, en segundo lugar, cómo se excitaba todo el sistema de electrones, para observe la interacción de muchos cuerpos entre la luz, los portadores y los núcleos en diferentes niveles de energía.
Al observar este sistema, pudieron ver que los niveles de energía de todos los portadores de carga indicaban que la conductividad óptica del material aumentaba en un punto, mostrando firmas o reminiscencias de una fase de superconductividad.
¿Cómo pudieron ver esto? Pues de hecho, en una publicación anterior observaron el comportamiento de fonones coherentes (no aleatorios) o excitación colectiva de los átomos dentro del sólido.
Debido a que el grafito tiene una serie de fonones muy fuertes (alta energía), estos pueden transportar de manera eficiente cantidades significativas de energía fuera del cristal sin dañar el material mediante vibraciones mecánicas de la red. Y 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.
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 y manipular las propiedades de los materiales con la luz.
Biegert dice:"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 ámbito de la física, ofreciendo formas novedosas de investigar y manipular fases correlacionadas de materia en tiempo real, que son cruciales para las tecnologías modernas."
Más información: T. P. H. Sidiropoulos et al, Conductividad óptica mejorada y efectos de muchos cuerpos en grafito semimetálico fotoexcitado fuertemente impulsado, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43191-5
Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza
Proporcionado por ICFO
