La spettroscopia di assorbimento dei raggi X è una tecnica selettiva degli elementi e sensibile allo stato elettronico che è una delle tecniche analitiche più utilizzate per studiare la composizione di materiali o sostanze. Fino a poco tempo fa, il metodo richiedeva un'ardua scansione della lunghezza d'onda e non forniva una risoluzione temporale ultraveloce per studiare la dinamica elettronica.
Negli ultimi dieci anni, il gruppo Attoscience and Ultrafast Optics dell'ICFO, guidato dal Prof. ICREA dell'ICFO Jens Biegert, ha sviluppato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X molli ad attosecondi in un nuovo strumento analitico senza la necessità di scansione e con risoluzione temporale ad attosecondi. /P>
Impulsi di raggi X molli ad attosecondi con una durata compresa tra 23 attosecondi (as) e 165 as e una concomitante larghezza di banda coerente di raggi X molli da 120 a 600 eV consentono di interrogare contemporaneamente l'intera struttura elettronica di un materiale. La combinazione della risoluzione temporale per rilevare il movimento elettronico in tempo reale e la larghezza di banda coerente che registra dove avviene il cambiamento fornisce uno strumento completamente nuovo e potente per la fisica e la chimica dello stato solido.
Uno dei processi di fondamentale importanza è l’interazione della luce con la materia, ad esempio per capire come l’energia solare viene raccolta nelle piante o come una cella solare converte la luce solare in elettricità. Un aspetto essenziale della scienza dei materiali è la prospettiva di alterare lo stato quantistico, o la funzione, di un materiale o di una sostanza con la luce.
Tale ricerca sulla dinamica a molti corpi dei materiali affronta le sfide fondamentali della fisica contemporanea, come ad esempio ciò che innesca qualsiasi transizione di fase quantistica o il modo in cui le proprietà dei materiali nascono dalle interazioni microscopiche.
In un recente studio pubblicato su Nature Communications , I ricercatori dell'ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi e Jens Biegert riferiscono di aver osservato un aumento e un controllo indotti dalla luce della conduttività nella grafite manipolando lo stato a molti corpi del materiale. /P>
I ricercatori hanno utilizzato impulsi ottici sub-2 cicli con involucro portante stabile in fase a 1850 nm per indurre lo stato ibrido luce-materia. Hanno sondato la dinamica elettronica con impulsi di raggi X molli ad attosecondi con 165 come durata sul bordo K del carbonio della grafite a 285 eV. La misurazione dell'assorbimento dei raggi X molli ad attosecondi ha interrogato l'intera struttura elettronica del materiale con fasi di ritardo pompa-sonda ad intervalli di attosecondi.
La pompa a 1850 nm ha indotto nel materiale uno stato di elevata conduttività, che esiste solo grazie all'interazione luce-materia; quindi, è chiamato un ibrido luce-materia.
I ricercatori sono interessati a tali condizioni poiché si prevede che portino a proprietà quantistiche di materiali che non esisterebbero altrimenti in equilibrio, e questi stati quantistici possono essere commutati a velocità essenzialmente ottiche fino a molti THz. Tuttavia, non è in gran parte chiaro come gli stati si manifestino esattamente all'interno dei materiali.
Pertanto, nei recenti rapporti esistono molte speculazioni sulla superconduttività indotta dalla luce e su altre fasi topologiche. I ricercatori dell'ICFO hanno utilizzato per la prima volta impulsi ad attosecondi di raggi X molli per "guardare all'interno del materiale" mentre si manifesta lo stato della materia luminosa.
Il primo autore dello studio, Themis Sidiropoulos, osserva:"il requisito di un sondaggio coerente, di una risoluzione temporale ad attosecondi e di una sincronizzazione ad attosecondi tra pompa e sonda è del tutto nuovo e un requisito essenziale per tali nuove indagini rese possibili dalla scienza degli attosecondi."
A differenza della twistronics e del grafene a doppio strato ritorto, dove gli sperimentali manipolano fisicamente i campioni per osservare i cambiamenti nelle proprietà elettroniche, Sidiropoulos spiega che "invece di manipolare il campione, eccitiamo otticamente il materiale con un potente impulso luminoso, eccitando così gli elettroni ad alta energia afferma e osserva come questi si rilassano all'interno del materiale, non solo individualmente ma come un intero sistema, osservando l'interazione tra questi portatori di carica e il reticolo stesso."
Per vedere come gli elettroni nella grafite si rilassavano dopo l'applicazione del forte impulso di luce, hanno preso l'ampio spettro di raggi X e osservato, in primo luogo, come ogni stato energetico si rilassava individualmente e, in secondo luogo, come l'intero sistema elettronico veniva eccitato, per osservare l'interazione a molti corpi tra luce, portatori e nuclei a diversi livelli energetici.
Osservando questo sistema, hanno potuto vedere che i livelli di energia di tutti i portatori di carica indicavano che la conduttività ottica del materiale aumentava in un punto, mostrando segni o reminiscenze di una fase di superconduttività.
Come hanno potuto vederlo? Ebbene, infatti, in una precedente pubblicazione, hanno osservato il comportamento dei fononi coerenti (non casuali) o l'eccitazione collettiva degli atomi all'interno del solido.
Poiché la grafite ha una serie di fononi molto forti (ad alta energia), questi possono trasportare in modo efficiente quantità significative di energia lontano dal cristallo senza danneggiare il materiale attraverso le vibrazioni meccaniche del reticolo. E poiché questi fononi coerenti si muovono avanti e indietro, come un'onda, gli elettroni all'interno del solido sembrano cavalcare l'onda, generando le tracce di superconduttività artificiale osservate dal team.
I risultati di questo studio mostrano applicazioni promettenti nel campo dei circuiti integrati fotonici o del calcolo ottico, utilizzando la luce per manipolare gli elettroni o controllare e manipolare le proprietà dei materiali con la luce.
Biegert afferma:"La dinamica di molti corpi è al centro e, probabilmente, uno dei problemi più impegnativi della fisica contemporanea. I risultati che abbiamo ottenuto qui aprono un nuovo regno della fisica, offrendo nuovi modi per indagare e manipolare fasi correlate di materia in tempo reale, che sono cruciali per le tecnologie moderne."
Ulteriori informazioni: T. P. H. Sidiropoulos et al, Conduttività ottica migliorata ed effetti a molti corpi nella grafite semimetallica fotoeccitata fortemente guidata, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43191-5
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
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