L'attoscienza illumina la strada verso la superconduttività

I progressi compiuti dai ricercatori dell’ICFO nella spettroscopia a raggi X molli ad attosecondi hanno trasformato l’analisi dei materiali, in particolare nello studio delle interazioni luce-materia e della dinamica a molti corpi, con implicazioni promettenti per le future applicazioni tecnologiche.

La spettroscopia di assorbimento dei raggi X è una tecnica selettiva degli elementi e sensibile allo stato elettronico ed è una delle tecniche analitiche più utilizzate per studiare la struttura di sostanze o sostanze. Fino a poco tempo fa, questo metodo richiedeva una laboriosa scansione della lunghezza d’onda e non forniva una risoluzione temporale ultraveloce per lo studio della dinamica elettronica.

Negli ultimi dieci anni, il gruppo Attoscience and Ultrafast Optics dell'ICFO, guidato dal professore dell'ICREA Jens Biegert h, ha sviluppato la spettroscopia di assorbimento dei raggi X molli ad attosecondi in un nuovo strumento analitico senza necessità di scansione e con risoluzione ad attosecondi.^[1,2]

Una svolta nella spettroscopia a raggi X molli ad attosecondi

Impulsi di raggi X molli ad attosecondi con una durata da 23 a 165 piedi e una larghezza di banda di raggi X molli coerente associata da 120 a 600 eV^[3] Permettendo di interrogare contemporaneamente l'intera struttura elettronica del materiale.

La combinazione della risoluzione temporale del rilevamento del movimento elettronico in tempo reale e della larghezza di banda coerente che registra il punto in cui si verifica il cambiamento fornisce uno strumento completamente nuovo e potente per la fisica e la chimica dello stato solido.

L’esposizione della grafite a un impulso laser ultracorto nel medio infrarosso dà origine a una fase ibrida altamente conduttiva di materia fotonica, in cui gli elettroni otticamente eccitati sono fortemente accoppiati a fononi fotonici coerenti. L’osservazione di uno stato multicorpo così forte, che è otticamente eccitato, è resa possibile studiando la durata degli stati elettronici eccitati utilizzando un impulso di raggi X morbido, ad attosecondi. Credito: ©ICFO

Uno dei processi più importanti 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 fondamentale della scienza dei materiali è la possibilità che lo stato quantistico, o funzione, di un materiale o di una materia possa essere modificato dalla luce. Tale ricerca sulla dinamica a molti corpi dei materiali affronta sfide fondamentali nella fisica contemporanea, come ad esempio ciò che innesca qualsiasi transizione di fase quantistica o il modo in cui le proprietà dei materiali derivano dalle interazioni microscopiche.

Un recente studio condotto dai ricercatori dell'ICFO

In un recente studio pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla naturaI ricercatori dell'ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi e Jens Bigert riferiscono di aver osservato un aumento e un controllo della conduttività indotti dalla luce nella grafite manipolando lo stato multi-corpo del materiale.

Tecniche di misurazione innovative

I ricercatori hanno utilizzato impulsi luminosi con sottociclo stabile nella fase portante e avvolti a 1850 nm per indurre lo stato ibrido del materiale fotonico. Hanno studiato la dinamica elettronica utilizzando impulsi di raggi X molli ad attosecondi con 165 km sul bordo del carbonio K della grafite a 285 eV. L'assorbimetria a raggi X molli ad attosecondi ha interrogato l'intera struttura elettronica del materiale con fasi di ritardo pompa-sonda ad attosecondi. La pompa a 1850 nm ha indotto uno stato di alta conduttività nel materiale, che esiste solo a causa dell'interazione della fotomateria; Quindi è chiamato ibrido di materia leggera.

I ricercatori sono interessati a tali condizioni perché si prevede che diano origine a proprietà quantistiche di materiali che non esistono in nessun altro stato di equilibrio, e questi stati quantistici possono essere commutati a velocità ottiche fondamentali fino a diversi terahertz.

Tuttavia, non è chiaro in che modo emergano esattamente gli stati all’interno dei materiali. Quindi, nei recenti rapporti ci sono 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 della materia” e anche mostrare lo stato della materia con la luce.

“I requisiti per un'indagine coerente, la risoluzione temporale agli attosecondi e la sincronizzazione agli attosecondi tra pompa e sonda sono completamente nuovi e un requisito essenziale per tali nuove indagini rese possibili dalla scienza degli attosecondi”, osserva il primo autore dello studio, Themis Sidiropoulos.

Dinamica degli elettroni nella grafite

A differenza delle bobine di elettroni e dei doppi strati ritorti Grafene“Invece di manipolare il campione, eccitiamo otticamente il materiale con un potente impulso di luce, eccitando così gli elettroni a stati ad alta energia e osservando come questi elettroni si rilassano” all'interno del materiale, non solo individualmente ma come sistema completo, monitoriamo il interazione tra i vettori di addebito e la rete stessa.

Per scoprire come gli elettroni nella grafite si rilassano dopo aver applicato un forte impulso di luce, hanno analizzato un ampio spettro di diversi livelli di energia. Osservando questo sistema, hanno potuto vedere che i livelli energetici di tutti i portatori di carica indicavano che la fotoconduttività del materiale aumentava ad un certo punto, indicando firme o ricordi della fase superconduttiva.

Osservazione di fononi coerenti

Come hanno potuto vederlo? Ebbene, in realtà, in un post precedente, hanno osservato il comportamento dei fononi coerenti (piuttosto che casuali) o l'eccitazione collettiva degli atomi all'interno di un solido. Poiché la grafite contiene una serie di fononi molto forti (ad alta energia), può trasferire in modo efficiente grandi quantità di energia lontano dal cristallo senza danneggiare il materiale attraverso le vibrazioni meccaniche del reticolo. 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 della superconduttività artificiale osservate dal team.

Implicazioni e prospettive future

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 le proprietà dei materiali e manipolarli con la luce. Come conclude Jens Bigert, “La dinamica a molti corpi è al centro e probabilmente uno dei problemi più impegnativi della fisica contemporanea. I risultati che abbiamo ottenuto qui aprono un nuovo mondo della fisica, offrendo nuovi modi di indagare e manipolare fasi interconnesse”. della materia in tempo reale, che sono cruciali per le moderne tecnologie.

Riferimento: “Conduttività ottica migliorata ed effetti a molti corpi nella grafite semimetallica fortemente fotocatalizzata” di TPH Sidiropoulos e N. Di Palo, D. E. Rivas, A. Summers e S. Severino e M. Reduzzi e J. Biegert, 16 novembre 2023, Comunicazioni sulla natura.
doi: 10.1038/s41467-023-43191-5

Appunti

1. “Un software da tavolo ad alto flusso, guidato da sottocicli Bodis, 14 settembre 2014, Lettere di ottica.
   doi:10.1364/OL.39.005383
2. “Spettroscopia a struttura fine di dispersivi morbidi Barbara Buddis e Frank Coppins, 19 maggio 2018, ottica.
   doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “Linee di attosecondi nella finestra dell'acqua: un nuovo sistema per caratterizzare la pulsazione degli attosecondi” di Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. DeVita, A. Jens Bigert, 2 novembre 2017, Revisione fisica.
   doi: 10.1103/PhysRevX.7.041030