Attoscience يضيء الطريق إلى الموصلية الفائقة

أحدثت التطورات في التحليل الطيفي للأشعة السينية الناعمة للأتو ثانية من قبل باحثي ICFO تحولًا في تحليل المواد، لا سيما في دراسة تفاعلات المادة الخفيفة وديناميكيات العديد من الأجسام، مع آثار واعدة على التطبيقات التكنولوجية المستقبلية.

يعد التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية تقنية انتقائية للعناصر وحساسة للحالة الإلكترونية، وهي واحدة من أكثر التقنيات التحليلية استخدامًا لدراسة تركيب المواد أو المواد. حتى وقت قريب، كانت هذه الطريقة تتطلب مسحًا شاقًا للطول الموجي ولم توفر دقة زمنية فائقة السرعة لدراسة الديناميكيات الإلكترونية.

على مدى العقد الماضي، قامت مجموعة Attoscience والبصريات فائقة السرعة في ICFO، بقيادة البروفيسور ICREA في ICFO Jens Biegert h، بتطوير التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية الناعمة بالأتوثانية إلى أداة تحليلية جديدة دون الحاجة إلى المسح وباستخدام الأتو ثانية دقة.^[1,2]

اختراق في التحليل الطيفي للأشعة السينية الناعمة للأتوثانية

نبضات الأشعة السينية الناعمة من الأتو ثانية بمدة تتراوح بين 23 و 165 قدمًا وعرض نطاق الأشعة السينية الناعمة المتماسك المصاحب من 120 إلى 600 فولت^[3] السماح باستجواب البنية الإلكترونية الكاملة للمادة مرة واحدة.

إن الجمع بين دقة الوقت لاكتشاف الحركة الإلكترونية في الوقت الفعلي وعرض النطاق الترددي المتماسك الذي يسجل مكان حدوث التغيير يوفر أداة جديدة تمامًا وقوية لفيزياء وكيمياء الحالة الصلبة.

يؤدي تعريض الجرافيت لنبضة ليزر متوسطة الأشعة تحت الحمراء شديدة القصر إلى ظهور مرحلة هجينة شديدة التوصيل من المادة الضوئية، حيث تقترن الإلكترونات المثارة بصريًا بقوة بالفونونات الضوئية المتماسكة. إن رصد مثل هذه الحالة القوية للعديد من الأجسام، والتي يتم تحفيزها بصريًا، يصبح ممكنًا من خلال دراسة عمر الحالات الإلكترونية المثارة باستخدام نبضة أشعة سينية ناعمة تبلغ الأتو ثانية. الائتمان: ©ICFO

إحدى العمليات الأكثر أهمية هي تفاعل الضوء مع المادة، على سبيل المثال، لفهم كيفية حصاد الطاقة الشمسية في النباتات أو كيف تقوم الخلية الشمسية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء.

أحد الجوانب الأساسية لعلم المواد هو احتمال تغيير الحالة الكمومية، أو وظيفة المادة أو المادة بواسطة الضوء. تتناول مثل هذه الأبحاث في ديناميكيات الأجسام المتعددة للمواد التحديات الأساسية في الفيزياء المعاصرة، مثل ما الذي يؤدي إلى أي انتقال في الطور الكمي، أو كيف تنشأ خصائص المواد من التفاعلات المجهرية.

دراسة حديثة أجراها باحثون من ICFO

وفي دراسة حديثة نشرت في المجلة اتصالات الطبيعةأفاد الباحثون في ICFO، ثيميس سيديروبولوس، ونيكولا دي بالو، وآدم سمرز، وستيفانو سيفيرينو، وماوريتسيو ريدوزي، وجينز بيجرت عن ملاحظة زيادة مستحثة بالضوء والتحكم في الموصلية في الجرافيت من خلال التلاعب بحالة الجسم المتعدد للمادة.

تقنيات القياس المبتكرة

استخدم الباحثون نبضات ضوئية ذات دورة فرعية مستقرة في الطور الحامل والمغلف عند 1850 نانومتر للحث على الحالة الهجينة للمادة الضوئية. لقد قاموا بفحص الديناميكيات الإلكترونية باستخدام نبضات الأشعة السينية الناعمة من الأتو ثانية مع 165 كمدة عند حافة الكربون K للجرافيت عند 285 فولت. قام قياس امتصاص الأشعة السينية الناعمة بالأتو ثانية باستجواب البنية الإلكترونية الكاملة للمادة عند خطوات تأخير مسبار المضخة بفاصل الأتو ثانية. تسببت المضخة عند 1850 نانومتر في حدوث حالة موصلية عالية في المادة، والتي توجد فقط بسبب تفاعل المادة الضوئية؛ وبالتالي يطلق عليه اسم هجين المادة الخفيفة.

يهتم الباحثون بمثل هذه الظروف لأنه من المتوقع أن تؤدي إلى خصائص كمومية لمواد لا توجد في حالة توازن أخرى، ويمكن تبديل هذه الحالات الكمومية بسرعات بصرية أساسية تصل إلى عدة تيراهيرتز.

ومع ذلك، فمن غير الواضح إلى حد كبير كيف تظهر الحالات بالضبط داخل المواد. وبالتالي، هناك الكثير من التكهنات في التقارير الأخيرة حول الموصلية الفائقة الناجمة عن الضوء وغيرها من المراحل الطوبولوجية. استخدم باحثو ICFO نبضات الأتوثانية من الأشعة السينية الناعمة لأول مرة “للنظر داخل المادة” كما تظهر حالة المادة الضوئية.

يشير المؤلف الأول للدراسة، ثيميس سيديروبولوس، إلى أن “متطلبات التحقيق المتماسك، ودقة وقت الأتوثانية وتزامن الأتوثانية بين المضخة والمسبار أمر جديد تمامًا ومتطلب أساسي لمثل هذه التحقيقات الجديدة التي مكنها علم الأتوثانية.”

ديناميات الإلكترون في الجرافيت

على عكس اللفائف الإلكترونية والطبقة الثنائية الملتوية الجرافين، حيث يتلاعب التجريبيون بالعينات فيزيائيًا لمراقبة التغيرات في الخصائص الإلكترونية، يوضح سيديروبولوس أنه “بدلاً من التلاعب بالعينة، نقوم بإثارة المادة بصريًا بنبضة ضوئية قوية، وبالتالي إثارة الإلكترونات إلى حالات طاقة عالية وملاحظة كيفية استرخاء هذه الإلكترونات” داخل المادة، ليس فقط بشكل فردي ولكن كنظام كامل، ومراقبة التفاعل بين حاملات الشحنة والشبكة نفسها.

لمعرفة كيفية استرخاء الإلكترونات في الجرافيت بعد تطبيق نبض قوي من الضوء، أخذوا طيفًا واسعًا من الأشعة السينية ولاحظوا، أولاً، كيف تسترخي كل حالة طاقة على حدة، وثانيًا، كيف تم إثارة نظام الإلكترون بأكمله، مراقبة تفاعل العديد من الأجسام بين الضوء والحاملات والنوى عند مستويات طاقة مختلفة. من خلال مراقبة هذا النظام، تمكنوا من رؤية أن مستويات الطاقة لجميع حاملات الشحنة تشير إلى أن الموصلية الضوئية للمادة زادت عند نقطة ما، مما يدل على توقيعات أو ذكريات مرحلة الموصلية الفائقة.

مراقبة الفونونات المتماسكة

كيف تمكنوا من رؤية هذا؟ حسنًا، في الواقع، في منشور سابق، لاحظوا سلوك الفونونات المتماسكة (وليست العشوائية) أو الإثارة الجماعية للذرات داخل المادة الصلبة. نظرًا لأن الجرافيت يحتوي على مجموعة من الفونونات القوية جدًا (عالية الطاقة)، ​​فيمكنها نقل كميات كبيرة من الطاقة بكفاءة بعيدًا عن البلورة دون الإضرار بالمادة من خلال الاهتزازات الميكانيكية للشبكة. ولأن هذه الفونونات المتماسكة تتحرك ذهابًا وإيابًا، مثل الموجة، يبدو أن الإلكترونات الموجودة داخل المادة الصلبة تركب الموجة، مما يولد بصمات الموصلية الفائقة الاصطناعية التي لاحظها الفريق.

التداعيات والآفاق المستقبلية

تظهر نتائج هذه الدراسة تطبيقات واعدة في مجال الدوائر المتكاملة الضوئية أو الحوسبة الضوئية، وذلك باستخدام الضوء لمعالجة الإلكترونات أو التحكم في خصائص المواد ومعالجتها بالضوء. كما يستنتج ينس بيجرت، “إن ديناميكيات الأجسام المتعددة هي في جوهرها، ويمكن القول إنها واحدة من أكثر المشاكل تحديًا في الفيزياء المعاصرة. النتائج التي حصلنا عليها هنا تفتح عالما جديدا من الفيزياء، وتقدم طرقا جديدة للتحقيق ومعالجة المراحل المترابطة للمادة في الوقت الحقيقي، والتي تعتبر حاسمة بالنسبة للتقنيات الحديثة.

المرجع: “الموصلية البصرية المحسنة وتأثيرات العديد من الأجسام في الجرافيت شبه المعدني المحفز بقوة بالصور” بواسطة TPH Sidiropoulos وN. Di Palo وDE Rivas وA. Summers وS. Severino وM. Reduzzi وJ. Biegert ، 16 نوفمبر 2023، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-023-43191-5

ملحوظات

1. “مصدر أشعة سينية ناعم عالي التدفق على سطح الطاولة مدفوع بدورة فرعية، CEP مستقر، نبضات 1.85 م 1 كيلو هرتز للتحليل الطيفي لحافة الكربون” بقلم F. Silva، S. Teichmann، إم هيمر، إس إل كوزين، جي بيغيرت وب. بوديس، 14 سبتمبر 2014، رسائل البصريات.
   دوى:10.1364/OL.39.005383
2. “التحليل الطيفي للبنية الدقيقة لامتصاص الأشعة السينية الناعمة المشتتة في الجرافيت مع نبض الأتوثانية” بقلم إيكر ليون، ثيميستوكليس بي إتش سيديروبولوس، إيرينا بي، دوشاي مونشيرام، أنطونيو بيكون، جينس بيجرت، نيكولا دي بالو، بيتر شميدت، سيث إل. باربارا بوديس وفرانك كوبينز، 19 مايو 2018، اوبتيكا.
   دوى:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “خطوط الأتوسيكوند في نافذة الماء: نظام جديد لتوصيف نبض الأتوسيكوند” بقلم سيث إل. كوزين، نيكولا دي بالو، باربرا بوديس، ستيفان إم. تيشمان، إم. ريدوزي، إم. ديفيتا، أ. ينس بيجيرت، 2 نوفمبر 2017، المراجعة البدنية X.
   دوى: 10.1103/PhysRevX.7.041030