La spectroscopie d'absorption des rayons X est une technique sélective d'éléments et sensible à l'état électronique qui est l'une des techniques analytiques les plus largement utilisées pour étudier la composition de matériaux ou de substances. Jusqu'à récemment, la méthode nécessitait un balayage de longueur d'onde ardu et ne fournissait pas de résolution temporelle ultrarapide 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 de l'ICFO, Jens Biegert, a développé la spectroscopie d'absorption des rayons X mous attoseconde pour en faire un nouvel outil analytique sans balayage et avec une résolution temporelle attoseconde. /P>
Des impulsions attosecondes de rayons X mous d'une durée comprise entre 23 attosecondes (as) et 165 as et une bande passante cohérente de rayons X mous concomitante de 120 à 600 eV permettent d'interroger simultanément l'ensemble de la structure électronique d'un matériau. La combinaison de la résolution temporelle pour détecter le 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’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 essentiel de la science des matériaux est la perspective de modifier l'état quantique, ou la fonction, d'un matériau ou d'une substance avec la lumière.
De telles recherches sur la dynamique à N corps des matériaux abordent les principaux défis de la physique contemporaine, tels que ce qui déclenche toute transition de phase quantique ou comment les propriétés des matériaux résultent d'interactions microscopiques.
Dans une étude récente publiée dans Nature Communications , les chercheurs de l'ICFO Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi et Jens Biegert rapportent avoir observé une augmentation et un contrôle de la conductivité du graphite induits par la lumière en manipulant l'état à plusieurs corps du matériau. /P>
Les chercheurs ont utilisé des impulsions optiques sous-2 cycles stables en phase et enveloppe de porteuse à 1 850 nm pour induire l’état hybride lumière-matière. Ils ont sondé la dynamique électronique avec des impulsions de rayons X mous attosecondes d'une durée de 165 au bord K du carbone du graphite à 285 eV. La mesure d'absorption des rayons X mous attoseconde a interrogé toute la structure électronique du matériau à des étapes de retard pompe-sonde d'intervalle attoseconde.
La pompe à 1 850 nm a induit un état de conductivité élevée dans le matériau, qui n’existe que grâce à l’interaction lumière-matière ; c'est pourquoi on l'appelle un hybride lumière-matière.
Les chercheurs s'intéressent à de telles conditions car elles devraient conduire à des propriétés quantiques de matériaux qui n'existeraient pas autrement à l'équilibre, et ces états quantiques peuvent être commutés à des vitesses essentiellement optiques allant jusqu'à plusieurs THz. Cependant, on ne sait pas vraiment comment ces états se manifestent exactement à l'intérieur des matériaux.
Ainsi, de nombreuses spéculations existent dans des rapports récents sur la supraconductivité induite par la lumière et 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 du matériau » alors que l'état lumière-matière se manifeste.
Le premier auteur de l'étude, Themis Sidiropoulos, note que "l'exigence d'un sondage cohérent, d'une résolution temporelle attoseconde et d'une synchronisation attoseconde entre la pompe et la sonde est entièrement nouvelle et constitue une exigence essentielle pour de telles nouvelles investigations rendues possibles par la science attoseconde."
Contrairement aux twistronics et au graphène bicouche torsadé, où les expérimentateurs manipulent physiquement les échantillons pour observer les changements dans les propriétés électroniques, Sidiropoulos explique qu'« au lieu de manipuler l'échantillon, nous excitons optiquement le matériau avec une puissante impulsion lumineuse, excitant ainsi les électrons dans une énergie élevée. états et observez comment ceux-ci se détendent au sein du matériau, non seulement individuellement mais dans leur ensemble, en observant l'interaction entre ces porteurs de charge et le réseau lui-même. "
Pour voir comment les électrons du graphite se sont détendus après l'application de la forte impulsion lumineuse, ils ont pris le large spectre des rayons X et ont observé, d'une part, comment chaque état énergétique se détendait individuellement et, d'autre part, comment l'ensemble du système électronique était excité, pour observez l'interaction à N corps entre la lumière, les porteurs et les noyaux à 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 conductivité optique du matériau augmentait en un point, montrant des signatures ou une réminiscence d'une phase de supraconductivité.
Comment ont-ils pu voir cela ? En fait, dans une publication précédente, ils ont observé le comportement de phonons cohérents (et non aléatoires) ou l'excitation collective des atomes au sein du solide.
Étant donné que le graphite possède un ensemble de phonons très puissants (à haute énergie), ceux-ci peuvent transporter efficacement des quantités importantes d'énergie loin du cristal sans endommager le matériau par les vibrations mécaniques du réseau. Et comme ces phonons cohérents se déplacent d'avant en arrière, comme une onde, les électrons du solide semblent surfer sur l'onde, générant les signatures de supraconductivité artificielle observées par l'équipe.
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 et manipuler les propriétés des matériaux avec la lumière.
Biegert déclare :« 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 domaine de la physique, offrant de nouvelles façons d'étudier et de manipuler les phases corrélées de la physique. en temps réel, ce qui est crucial pour les technologies modernes."
Plus d'informations : T. P. H. Sidiropoulos et al, Conductivité optique améliorée et effets à plusieurs corps dans un graphite semi-métallique photo-excité fortement excité, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-43191-5
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par ICFO
