Attoscience는 초전도의 길을 밝힙니다.

ICFO 연구자들의 아토초 연X선 분광법의 발전은 특히 경량 물질 상호 작용 및 다체 역학 연구에서 재료 분석을 변화시켰으며 미래 기술 응용 분야에 유망한 영향을 미쳤습니다.

X선 흡수 분광법은 원소 선택 및 전자 상태 감지 기술로, 물질이나 물질의 구조를 연구하는 데 가장 널리 사용되는 분석 기술 중 하나입니다. 최근까지 이 방법은 힘든 파장 스캐닝이 필요했으며 전자 역학 연구를 위한 초고속 시간 해상도를 제공하지 못했습니다.

지난 10년 동안 ICFO Jens Biegert h의 ICREA 교수가 이끄는 ICFO의 Attoscience 및 Ultrafast Optics 그룹은 스캐닝이 필요 없고 아토초 해상도를 갖춘 새로운 분석 도구로 아토초 연X선 흡수 분광법을 개발했습니다.^[1,2]

아토초 연X선 분광법의 획기적인 발전

지속 시간이 23~165피트이고 관련 일관성 있는 소프트 X선 대역폭이 120~600eV인 아토초 소프트 X선 펄스^[3] 재료의 전체 전자 구조를 한 번에 조사할 수 있습니다.

실시간 전자 동작 감지의 시간 분해능과 변화가 발생하는 위치를 기록하는 일관된 대역폭을 결합하면 고체 물리학 및 화학을 위한 완전히 새롭고 강력한 도구가 제공됩니다.

초단거리 중적외선 레이저 펄스에 흑연을 노출시키면 광학적으로 여기된 전자가 응집성 광자 포논과 강하게 결합되는 전도도가 높은 광자 물질의 하이브리드 단계가 발생합니다. 광학적으로 여기된 이러한 강한 다물체 상태를 관찰하는 것은 부드러운 아토초 X선 펄스를 사용하여 여기된 전자 상태의 수명을 연구함으로써 가능해졌습니다. 신용: ©ICFO

가장 중요한 과정 중 하나는 빛과 물질의 상호작용입니다. 예를 들어 식물에서 태양에너지가 어떻게 수확되는지, 태양전지가 햇빛을 전기로 변환하는 방법을 이해하는 것입니다.

재료 과학의 근본적인 측면은 물질이나 물질의 양자 상태 또는 기능이 빛에 의해 변경될 수 있다는 가능성입니다. 재료의 다체 역학에 대한 연구는 양자 위상 전이를 유발하는 요인이나 미세한 상호 작용에서 재료 특성이 어떻게 발생하는지와 같은 현대 물리학의 근본적인 과제를 해결합니다.

ICFO 연구원들이 최근 실시한 연구

최근 잡지에 발표된 연구에서 네이처커뮤니케이션즈ICFO 연구원 Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi 및 Jens Bigert는 재료의 다체 상태를 조작하여 흑연의 전도성 증가 및 제어를 관찰했다고 보고했습니다.

혁신적인 측정 기술

연구진은 광 물질의 하이브리드 상태를 유도하기 위해 캐리어 위상에서 안정적인 하위 주기를 갖고 1850nm에 포위된 광 펄스를 사용했습니다. 그들은 285eV에서 흑연의 탄소 K 가장자리에서 165km의 아토초 연X선 펄스를 사용하여 전자 역학을 조사했습니다. Attosecond 연X선 흡수계는 Attosecond 펌프-프로브 지연 단계에서 재료의 전체 전자 구조를 조사했습니다. 1850nm의 펌프는 광물질 상호작용으로 인해 존재하는 물질에 높은 전도성 상태를 유도했습니다. 따라서 가벼운 물질 하이브리드라고 불립니다.

연구자들은 다른 평형 상태에는 존재하지 않는 물질의 양자 특성을 발생시킬 것으로 예상되고 이러한 양자 상태는 최대 수 테라헤르츠의 기본 광학 속도로 전환될 수 있기 때문에 이러한 조건에 관심이 있습니다.

그러나 물질 내에서 상태가 정확히 어떻게 나타나는지는 거의 불분명합니다. 따라서 빛으로 유도된 초전도성과 기타 위상 위상에 대한 최근 보고서에는 많은 추측이 있습니다. ICFO 연구진은 '물질 내부를 관찰'하고 빛으로 물질의 상태를 보여주기 위해 처음으로 연엑스선의 아토초 펄스를 사용했다.

“일관된 조사, 아토초 시간 분해능 및 펌프와 프로브 사이의 아토초 동기화에 대한 요구 사항은 완전히 새로운 것이며 아토초 과학을 통해 가능해진 새로운 조사를 위한 필수 요구 사항입니다.”라고 해당 연구의 첫 번째 저자인 Themis Sidiropoulos는 말합니다.

흑연의 전자 역학

전자 코일 및 꼬인 이중층과 달리 그래핀“샘플을 조작하는 대신, 우리는 강력한 빛의 펄스로 물질을 광학적으로 여기시켜 전자를 고에너지 상태로 여기시키고 이러한 전자가 물질 내에서 어떻게 이완되는지 ​​관찰합니다.” 전하 캐리어와 네트워크 자체 간의 상호 작용.

강한 빛의 펄스를 가한 후 흑연의 전자가 어떻게 이완되는지 ​​알아보기 위해 그들은 다양한 에너지 수준의 광범위한 스펙트럼을 사용했습니다. 이 시스템을 관찰함으로써 그들은 모든 전하 운반체의 에너지 수준이 물질의 광전도도가 어느 시점에서 증가하여 초전도 단계의 특징 또는 기억을 나타냄을 알 수 있었습니다.

응집성 포논 관찰

그들은 어떻게 이것을 볼 수 있었습니까? 사실, 이전 게시물에서 그들은 일관성 있는(무작위가 아닌) 포논의 동작이나 고체 내 원자의 집단 여기를 관찰했습니다. 흑연은 매우 강한(고에너지) 포논 배열을 포함하고 있기 때문에 격자의 기계적 진동을 통해 물질을 손상시키지 않고 결정에서 많은 양의 에너지를 효율적으로 전달할 수 있습니다. 이러한 응집성 포논은 파동처럼 앞뒤로 움직이기 때문에 고체 내부의 전자가 파동을 타는 것처럼 보이며 팀이 관찰한 인공 초전도성의 특징을 생성합니다.

시사점 및 향후 전망

이번 연구 결과는 빛을 이용해 전자를 조작하거나 물질의 특성을 제어하고 빛으로 조작하는 광자집적회로나 광컴퓨팅 분야에서 유망한 응용 가능성을 보여준다. Jens Bigert는 “다체 역학은 그 핵심이며 현대 물리학에서 가장 어려운 문제 중 하나입니다. 여기서 얻은 결과는 물리학의 새로운 세계를 열어 상호 연결된 위상을 조사하고 조작하는 새로운 방법을 제공합니다. 이는 현대 기술에 매우 중요합니다.

참고 자료: TPH Sidiropoulos 및 N의 “강하게 광촉매된 반금속 흑연의 향상된 광학 전도성 및 다체 효과” 디 팔로, D. E. 리바스, A. 서머스와 S. 세베리노와 M. Reduzzi와 J. 비에거트, 2023년 11월 16일, 네이처커뮤니케이션즈.
도이: 10.1038/s41467-023-43191-5

노트

1. “하위 사이클 구동, 고유량 테이블탑 소프트 보디스, 2014년 9월 14일, 광학 문자.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “분산성 소프트의 미세 구조 분광학 Barbara Bodis 및 Frank Coppins, 2018년 5월 19일, 광학계.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “물창의 아토초 선: 아토초 맥동을 특성화하는 새로운 시스템”(Seth L.) 코신, 니콜라 디 팔로, 바바라 보디스, 스테판 M. 티슈만, M. 레두지, M. 드비타, A. Jens Bigert, 2017년 11월 2일, 물리적 검토.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030