原子科学照亮了超导之路

ICFO 研究人员在阿秒软 X 射线光谱学方面取得的进展改变了材料分析，特别是在光与物质相互作用和多体动力学的研究方面，对未来的技术应用具有广阔的前景。

X射线吸收光谱是一种元素选择性和电子态敏感技术，是研究物质或物质结构最广泛使用的分析技术之一。 直到最近，这种方法还需要费力的波长扫描，并且无法为研究电子动力学提供超快的时间分辨率。

在过去的十年中，ICFO 的阿托科学和超快光学小组在 ICREA 教授 Jens Biegert h 的领导下，将阿秒软 X 射线吸收光谱发展成为一种无需扫描且具有阿秒分辨率的新型分析工具。^[1,2]

阿秒软X射线光谱学的突破

阿秒软 X 射线脉冲，持续时间为 23 至 165 英尺，相关相干软 X 射线带宽为 120 至 600 eV^[3] 允许立即询问材料的整个电子结构。

将实时电子运动检测的时间分辨率与记录变化发生位置的相干带宽相结合，为固态物理和化学提供了一种全新且强大的工具。

将石墨暴露在超短中红外激光脉冲下会产生高导电性的光子物质混合相，其中光激发电子与相干光子声子强烈耦合。 通过使用软阿秒 X 射线脉冲研究激发电子态的寿命，可以观察到如此强的光激发多体态。 图片来源：©ICFO

最重要的过程之一是光与物质的相互作用，例如，了解植物如何收集太阳能或太阳能电池如何将阳光转化为电能。

材料科学的一个基本方面是材料或物质的量子态或功能可以被光改变的可能性。 这种对材料多体动力学的研究解决了当代物理学的基本挑战，例如什么触发了量子相变，或者材料特性如何从微观相互作用中产生。

ICFO 研究人员最近进行的一项研究

在该杂志最近发表的一项研究中 自然通讯ICFO 研究人员 Themis Sidiropoulos、Nicola Di Palo、Adam Summers、Stefano Severino、Maurizio Reduzzi 和 Jens Bigert 报告称，通过操纵材料的多体状态，观察到光诱导石墨电导率的增加和控制。

创新的测量技术

研究人员使用载波相中具有稳定子周期并包络在 1850 nm 处的光脉冲来诱导光子材料的混合态。 他们使用阿秒软 X 射线脉冲在 285 eV 的石墨碳 K 边缘研究了 165 km 的电子动力学。 阿秒软 X 射线吸收法以阿秒泵浦探针延迟步骤询问材料的整个电子结构。 1850 nm 的泵浦在材料中引起高电导率状态，这种状态仅由于光物质相互作用而存在； 因此它被称为光物质混合体。

研究人员对这种条件很感兴趣，因为它们有望产生其他平衡态下不存在的材料的量子特性，并且这些量子态可以以高达几个太赫兹的基本光速进行切换。

然而，目前尚不清楚材料中状态到底是如何出现的。 因此，最近的报告对光致超导和其他拓扑相有很多猜测。 ICFO研究人员首次使用软X射线的阿秒脉冲来“观察物质内部”，并用光显示物质的状态。

“对相干研究、阿秒时间分辨率以及泵和探测器之间的阿秒同步的要求是全新的，也是阿秒科学实现的此类新研究的基本要求，”该研究的第一作者 Themis Sidiropoulos 指出。

石墨中的电子动力学

与电子线圈和扭曲双层不同 石墨烯“我们不是操纵样品，而是用强大的光脉冲光学激发材料，从而将电子激发到高能态并观察这些电子如何在材料内松弛”，不仅是单独的，而且作为一个完整的系统，监测电荷载流子和网络本身之间的相互作用。

为了找出石墨中的电子在施加强光脉冲后如何弛豫，他们采用了不同能级的广谱。 通过观察这个系统，他们能够看到所有电荷载流子的能级表明材料的光电导率在某个时刻增加，这表明超导相的特征或记忆。

相干声子的观察

他们怎么能看到这一点？ 嗯，实际上，在上一篇文章中，他们观察了固体内相干（而不是随机）声子或原子集体激发的行为。 由于石墨含有一系列非常强（高能）的声子，因此它可以有效地将大量能量从晶体中转移出去，而不会通过晶格的机械振动损坏材料。 由于这些相干声子像波一样来回移动，固体内部的电子似乎驾驭着波，产生了团队观察到的人工超导的特征。

影响和未来前景

这项研究的结果显示了在光子集成电路或光学计算领域的有前景的应用，利用光来操纵电子或控制材料的特性并用光来操纵它们。 正如詹斯·比格特（Jens Bigert）总结的那样，“多体动力学是其核心，可以说是当代物理学中最具挑战性的问题之一。我们在这里获得的结果开辟了一个新的物理学世界，提供了研究和操纵互连相的新方法实时地处理物质，这对于现代技术至关重要。

参考文献：“强光催化半金属石墨的增强光导率和多体效应”，作者：TPH Sidiropoulos 和 N. 迪帕洛、D.E.里瓦斯和 A. 萨默斯和 S. 塞韦里诺和 M. 雷杜齐和 J. 比格特，2023 年 11 月 16 日， 自然通讯。
号码：10.1038/s41467-023-43191-5

笔记

1. “子循环驱动的高通量桌面软博迪斯，2014 年 9 月 14 日， 光学快报。
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “色散软体的精细结构光谱芭芭拉·博迪斯和弗兰克·科平斯，2018 年 5 月 19 日， 光学。
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “水窗中的阿秒线：表征阿秒脉动的新系统”，作者：Seth L. 科辛、尼古拉·迪·帕洛、芭芭拉·博迪斯、斯特凡·M. 蒂什曼，M. 雷杜齐，M. 德维塔，A. 延斯·比格特，2017 年 11 月 2 日， 体检。
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030