A espectroscopia de absorção de raios X, uma ferramenta essencial na análise de materiais, evoluiu com o advento dos pulsos de raios X suaves de attossegundos. Esses pulsos permitem a análise simultânea de toda a estrutura eletrônica de um material, um avanço liderado pela equipe do ICFO. Um estudo recente demonstrou a manipulação da condutividade do grafite através da interação luz-matéria, revelando potenciais aplicações em circuitos fotônicos e computação óptica. Este avanço na espectroscopia abre novos caminhos para a investigação da dinâmica de muitos corpos em materiais, um desafio importante na física moderna. Crédito: SciTechDaily.com
Avanços na espectroscopia de raios X moles de attossegundos por pesquisadores do ICFO transformaram a análise de materiais, particularmente no estudo de interações luz-matéria e dinâmica de muitos corpos, com implicações promissoras para futuras aplicações tecnológicas.
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 le,d pelo ICREA Prof. no ICFO Jens Biegert h, desenvolveu a espectroscopia de absorção de raios X suaves de attossegundos em uma nova ferramenta analítica sem a necessidade de varredura e com temporais de attossegundos resolução.(1,2)
Avanço na espectroscopia de raios X suaves em attosegundos
Pulsos de raios X suaves de attosegundos com duração entre 23 as e 165 as e largura de banda coerente concomitante de raios X suaves de 120 a 600 eV(3) permitir 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.
A exposição da grafite a um intenso pulso de laser infravermelho médio ultracurto induz uma fase híbrida luz-matéria altamente condutora, à medida que elétrons opticamente excitados se acoplam fortemente a fônons ópticos coerentes. As observações de um estado de muitos corpos fortemente orientado opticamente tornam-se possíveis estudando o tempo de vida dos estados eletrônicos excitados com um pulso de raios X suaves de attossegundos. Crédito: ©ICFO
Um dos processos mais fundamentalmente importantes é a interação da luz com a matéria, por exemplo, para compreender como a energia solar é captada 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.
Estudo recente realizado por pesquisadores do ICFO
Em um estudo recente publicado na revista Comunicações da NaturezaOs 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.
Técnicas de medição inovadoras
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”.
Dinâmica Eletrônica em Grafite
Ao contrário da twistrônica e da bicamada torcida grafenoonde 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 estados de alta energia e observando 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.
Observação de Fônons Coerentes
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.
Implicações e perspectivas futuras
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. Como conclui Jens Biegert, “a dinâmica de muitos corpos está no cerne e, sem dúvida, é um dos problemas mais desafiadores da física contemporânea. Os resultados que obtivemos aqui abrem um novo domínio da física, oferecendo novas formas de investigar e manipular fases correlacionadas da matéria em tempo real, que são cruciais para as tecnologias modernas.”
Referência: “Condutividade óptica aprimorada e efeitos de muitos corpos em grafite semimetálica fotoexcitada fortemente acionada” por TPH Sidiropoulos, N. Di Palo, DE Rivas, A. Summers, S. Severino, M. Reduzzi e J. Biegert , 16 de novembro de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-43191-5
Notas
- “Fonte de raios X suave de mesa de alto fluxo acionada por pulsos de 1,85-μm 1 kHz de sub-2 ciclos, CEP estável, para espectroscopia de borda K de carbono” por F. Silva, S. Teichmann, M. Hemmer, SL Cousin, J. Biegert e B. Buades, 14 de setembro de 2014, Cartas Ópticas.
DOI: doi:10.1364/OL.39.005383 - “Espectroscopia dispersiva de absorção de raios X moles de estrutura fina em grafite com pulso de attosegundo” por Iker Leon, Themistoklis PH Sidiropoulos, Irina Pi, Dooshaye Moonshiram, Antonio Picon, Jens Biegert, Nicola Di Palo, Peter Schmidt, Seth L. Cousin, Barbara Buades e Frank Koppens, 19 de maio de 2018, ÓPTICO.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.5.000502 - “Attosecond Streaking in the Water Window: A New Regime of Attosecond Pulse Characterization” por Seth L. Cousin, Nicola Di Palo, Bárbara Buades, Stephan M. Teichmann, M. Reduzzi, M. Devetta, A. Kheifets, G. Sansone e Jens Biegert, 2 de novembro de 2017, Revisão Física X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041030