L'attoscience ouvre la voie à la supraconductivité

Les progrès réalisés dans la spectroscopie attoseconde des rayons X mous réalisés par les chercheurs de l'ICFO ont transformé l'analyse des matériaux, en particulier dans l'étude des interactions lumière-matière et de la dynamique à N corps, avec des implications prometteuses pour les applications technologiques futures.

La spectroscopie d'absorption des rayons X est une technique sélective d'éléments et sensible à l'état électronique, et est l'une des techniques analytiques les plus largement utilisées pour étudier la structure de substances ou de substances. Jusqu'à récemment, cette méthode nécessitait un balayage laborieux des longueurs d'onde et ne fournissait pas une résolution temporelle ultra-rapide pour étudier la dynamique électronique.

Au cours de la dernière décennie, le groupe Attoscience et optique ultrarapide de l'ICFO, dirigé par le professeur ICREA à l'ICFO Jens Biegert h, a développé la spectroscopie d'absorption des rayons X mous attoseconde en un nouvel outil analytique sans balayage et avec une résolution attoseconde.^[1,2]

Une percée dans la spectroscopie des rayons X mous attoseconde

Impulsions de rayons X mous attosecondes d'une durée de 23 à 165 pieds et d'une bande passante de rayons X mous cohérente associée de 120 à 600 eV^[3] Permettant d’interroger simultanément toute la structure électronique du matériau.

La combinaison de la résolution temporelle de la détection de mouvement électronique en temps réel et de la bande passante cohérente qui enregistre l'endroit où le changement se produit fournit un outil entièrement nouveau et puissant pour la physique et la chimie du solide.

L'exposition du graphite à une impulsion laser ultracourte dans l'infrarouge moyen donne naissance à une phase hybride hautement conductrice de matière photonique, dans laquelle les électrons optiquement excités sont fortement couplés à des phonons photoniques cohérents. L’observation d’un état multi-corps aussi puissant, excité optiquement, est rendue possible en étudiant la durée de vie des états électroniques excités à l’aide d’une impulsion de rayons X attoseconde douce. Crédit : ©ICFO

L’un des processus les plus importants est l’interaction de la lumière avec la matière, par exemple pour comprendre comment l’énergie solaire est récupérée dans les plantes ou comment une cellule solaire convertit la lumière du soleil en électricité.

Un aspect fondamental de la science des matériaux est la possibilité que l’état quantique, ou la fonction, d’un matériau ou d’une matière puisse être modifié par la lumière. De telles recherches sur la dynamique à N corps des matériaux abordent des défis fondamentaux de la physique contemporaine, tels que ce qui déclenche toute transition de phase quantique ou comment les propriétés des matériaux résultent d'interactions microscopiques.

Une étude récente menée par des chercheurs de l'ICFO

Dans une étude récente publiée dans le magazine Communications naturellesLes chercheurs de l'ICFO, Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi et Jens Bigert, rapportent avoir observé une augmentation et un contrôle de la conductivité induits par la lumière dans le graphite en manipulant l'état multi-corps du matériau.

Techniques de mesure innovantes

Les chercheurs ont utilisé des impulsions lumineuses avec un sous-cycle stable en phase porteuse et enveloppées à 1 850 nm pour induire l’état hybride du matériau photonique. Ils ont étudié la dynamique électronique en utilisant des impulsions de rayons X mous attosecondes avec 165 km au bord du carbone K du graphite à 285 eV. L'absorptiométrie à rayons X mous attoseconde a interrogé toute la structure électronique du matériau à des étapes de retard pompe-sonde attosecondes. La pompe à 1 850 nm a induit un état de conductivité élevée dans le matériau, qui n’existe que grâce à l’interaction de la photomatière ; C’est pourquoi on l’appelle hybride matière légère.

Les chercheurs s’intéressent à de telles conditions car elles devraient donner naissance à des propriétés quantiques de matériaux qui n’existent dans aucun autre état d’équilibre, et ces états quantiques peuvent être commutés à des vitesses optiques fondamentales pouvant atteindre plusieurs térahertz.

Cependant, on ne sait pas exactement comment les états émergent au sein des matériaux. Par conséquent, de nombreuses spéculations ont été publiées dans des rapports récents sur la supraconductivité induite par la lumière et sur d’autres phases topologiques. Les chercheurs de l’ICFO ont utilisé pour la première fois des impulsions attosecondes de rayons X mous pour « regarder à l’intérieur de la matière » et également montrer l’état de la matière avec la lumière.

« Les exigences en matière d'investigation cohérente, de résolution temporelle attoseconde et de synchronisation attoseconde entre la pompe et la sonde sont complètement nouvelles et constituent une exigence essentielle pour de telles nouvelles investigations rendues possibles par la science attoseconde », note le premier auteur de l'étude, Themis Sidiropoulos.

Dynamique électronique dans le graphite

Contrairement aux bobines électroniques et aux bicouches torsadées Graphène« Au lieu de manipuler l'échantillon, nous excitons optiquement le matériau avec une puissante impulsion de lumière, excitant ainsi les électrons vers des états de haute énergie et observant comment ces électrons se détendent » dans le matériau, non seulement individuellement mais en tant que système complet, surveillons le interaction entre les porteurs de charge et le réseau lui-même.

Pour découvrir comment les électrons du graphite se sont détendus après avoir appliqué une forte impulsion de lumière, ils ont utilisé un large spectre de différents niveaux d'énergie. En observant ce système, ils ont pu constater que les niveaux d’énergie de tous les porteurs de charge indiquaient que la photoconductivité du matériau augmentait à un moment donné, indiquant des signatures ou des mémoires de la phase supraconductrice.

Observation de phonons cohérents

Comment ont-ils pu voir cela ? En fait, dans un article précédent, ils ont observé le comportement de phonons cohérents (plutôt qu’aléatoires) ou l’excitation collective des atomes au sein d’un solide. Étant donné que le graphite contient un ensemble de phonons très puissants (à haute énergie), il peut transférer efficacement de grandes quantités d'énergie du cristal sans endommager le matériau par les vibrations mécaniques du réseau. Parce que ces phonons cohérents se déplacent d’avant en arrière, comme une onde, les électrons à l’intérieur du solide semblent surfer sur l’onde, générant les signatures de supraconductivité artificielle observées par l’équipe.

Implications et perspectives d'avenir

Les résultats de cette étude montrent des applications prometteuses dans le domaine des circuits intégrés photoniques ou de l'informatique optique, utilisant la lumière pour manipuler des électrons ou contrôler les propriétés des matériaux et les manipuler avec la lumière. Comme le conclut Jens Bigert, « La dynamique à N corps est au cœur et sans doute l'un des problèmes les plus difficiles de la physique contemporaine. Les résultats que nous avons obtenus ici ouvrent un nouveau monde de la physique, offrant de nouvelles façons d'étudier et de manipuler les phases interconnectées. de la matière en temps réel, ce qui est crucial pour les technologies modernes.

Référence : « Enhanced optic conductivity and many-body effect in strong photo-catalysed semi-metallic graphite » par TPH Sidiropoulos et N. Di Palo, D.E. Rivas et A. Summers et S. Séverino et M. Reduzzi et J. Biegert, le 16 novembre 2023, Communications naturelles.
est ce que je: 10.1038/s41467-023-43191-5

Remarques

1. « Un logiciel de table à flux élevé et piloté par sous-cycle Bodis, 14 septembre 2014, Lettres d'optique.
   est ce que je:10.1364/OL.39.005383
2. « Spectroscopie de structure fine de particules molles dispersives Barbara Buddis et Frank Coppins, 19 mai 2018, optique.
   est ce que je:10.1364/OPTICA.5.000502
3. « Lignes attosecondes dans la fenêtre d'eau : un nouveau système pour caractériser les pulsations attosecondes » par Seth L. Cosin, Nicola Di Palo, Barbara Bodis, Stefan M. Tishman, M. Reduzzi, M. De Vita, A. Jens Bigert, 2 novembre 2017, Examen physique.
   est ce que je: 10.1103/PhysRevX.7.041030