A espectroscopia de absorção de raios X é uma técnica seletiva de elementos e sensível ao estado eletrônico que é uma das técnicas analíticas mais amplamente utilizadas para estudar a composição de materiais ou substâncias. Até recentemente, o método exigia uma varredura árdua do comprimento de onda e não fornecia resolução temporal ultrarrápida para estudar a dinâmica eletrônica.



Ao longo da última década, o grupo Attoscience e Ultrafast Optics do ICFO liderado pelo ICREA Prof. do ICFO Jens Biegert, desenvolveu a espectroscopia de absorção de raios X suaves de attossegundos em uma nova ferramenta analítica sem a necessidade de varredura e com resolução temporal de attossegundos.

Pulsos de raios X suaves de attosegundos com duração entre 23 attosegundos (as) e 165 as e largura de banda de raios X suaves coerente concomitante de 120 a 600 eV permitem a interrogação de toda a estrutura eletrônica de um material de uma só vez. A combinação da resolução temporal para detectar movimento eletrônico em tempo real e a largura de banda coerente que registra onde a mudança acontece fornece uma ferramenta inteiramente nova e poderosa para a física e a química do estado sólido.

Um dos processos mais fundamentalmente importantes é a interação da luz com a matéria, por exemplo, para entender como a energia solar é colhida nas plantas ou como uma célula solar converte a luz solar em eletricidade. Um aspecto essencial da ciência dos materiais é a perspectiva de alterar o estado quântico, ou a função, de um material ou substância com luz.

Essa pesquisa sobre a dinâmica de muitos corpos dos materiais aborda os principais desafios da física contemporânea, como o que desencadeia qualquer transição de fase quântica ou como as propriedades dos materiais surgem de interações microscópicas.

Em um estudo recente publicado na Nature Communications , Os pesquisadores do ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi e Jens Biegert relatam ter observado um aumento induzido pela luz e controle da condutividade no grafite, manipulando o estado de muitos corpos do material.

Medição da bomba-sonda em attosegundos do híbrido de matéria leve

Os pesquisadores usaram pulsos ópticos de sub-2 ciclos estáveis ​​​​na fase do envelope da portadora a 1850 nm para induzir o estado híbrido luz-matéria. Eles sondaram a dinâmica eletrônica com pulsos de raios X suaves de attossegundos com duração de 165 na borda K do carbono da grafite a 285 eV. A medição de absorção de raios X suaves em attossegundos interrogou toda a estrutura eletrônica do material em etapas de atraso da bomba-sonda em intervalos de attossegundos.

A bomba a 1850 nm induziu um estado de alta condutividade no material, que só existe devido à interação luz-matéria; portanto, é chamado de híbrido de matéria leve.

Os pesquisadores estão interessados ​​em tais condições, uma vez que se espera que elas levem a propriedades quânticas de materiais que não existem de outra forma em equilíbrio, e esses estados quânticos podem ser alterados em velocidades essencialmente ópticas de até muitos THz. No entanto, não está claro como os estados se manifestam exatamente dentro dos materiais.

Assim, existe muita especulação em relatórios recentes sobre a supercondutividade induzida pela luz e outras fases topológicas. Os pesquisadores do ICFO usaram pulsos de raios X suaves de attossegundos pela primeira vez para “olhar dentro do material” à medida que o estado da matéria luminosa se manifesta.

O primeiro autor do estudo, Themis Sidiropoulos, observa, "o requisito de sondagem coerente, resolução de tempo em attossegundos e sincronização em attossegundos entre a bomba e a sonda é inteiramente novo e um requisito essencial para tais novas investigações possibilitadas pela ciência dos attossegundos."

Ao contrário da twistrônica e do grafeno de bicamada torcida, onde os experimentalistas manipulam fisicamente as amostras para observar as mudanças nas propriedades eletrônicas, Sidiropoulos explica que "em vez de manipular a amostra, excitamos opticamente o material com um poderoso pulso de luz, excitando assim os elétrons em alta energia estados e observar como estes relaxam dentro do material, não apenas individualmente, mas como um sistema completo, observando a interação entre esses portadores de carga e a própria rede."

Para ver como os elétrons no grafite relaxaram após a aplicação do forte pulso de luz, eles pegaram o amplo espectro de raios X e observaram, em primeiro lugar, como cada estado de energia relaxou individualmente e, em segundo lugar, como todo o sistema eletrônico foi excitado, para observe a interação de muitos corpos entre luz, transportadores e núcleos em diferentes níveis de energia.

Ao observar este sistema, eles puderam ver que os níveis de energia de todos os portadores de carga indicavam que a condutividade óptica do material aumentou em um ponto, mostrando assinaturas ou reminiscências de uma fase de supercondutividade.

Como eles conseguiram ver isso? Bem, na verdade, em uma publicação anterior, eles observaram o comportamento de fônons coerentes (não aleatórios) ou a excitação coletiva dos átomos dentro do sólido.

Como a grafite possui um conjunto de fônons muito fortes (alta energia), eles podem transportar com eficiência quantidades significativas de energia para longe do cristal, sem danificar o material por meio de vibrações mecânicas da rede. E como estes fônons coerentes se movem para frente e para trás, como uma onda, os elétrons dentro do sólido parecem surfar a onda, gerando as assinaturas artificiais de supercondutividade que a equipe observou.

Os resultados deste estudo mostram aplicações promissoras no campo de circuitos integrados fotônicos ou computação óptica, utilizando luz para manipular elétrons ou controlar e manipular propriedades de materiais com luz.

Biegert diz:"A dinâmica de muitos corpos está no centro e, sem dúvida, é um dos problemas mais desafiadores da física contemporânea. Os resultados que obtivemos aqui abrem um novo reino da física, oferecendo novas maneiras de investigar e manipular fases correlacionadas de importam em tempo real, que são cruciais para as tecnologias modernas."

Mais informações: TPH Sidiropoulos et al, Condutividade óptica aprimorada e efeitos de muitos corpos em grafite semimetálica fotoexcitada fortemente acionada, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43191-5
Informações do diário: Comunicações da Natureza

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