Attoscience推出石墨中的光物质混合相让人联想到超导性

X射线吸收光谱是一种元素选择性和电子态敏感技术，是研究材料或物质成分最广泛使用的分析技术之一。直到最近，该方法还需要艰苦的波长扫描，并且无法提供超快的时间分辨率来研究电子动力学。

在过去十年中，ICFO的阿托科学和超快光学小组由ICFOJensBiegert的ICREA教授领导，开发了阿托秒软-X射线吸收光谱成为一种无需扫描且具有阿秒时间分辨率的新型分析工具。

持续时间在23阿秒(as)到165as之间的阿秒软X射线脉冲以及伴随的120到600eV的相干软X射线带宽允许立即询问材料的整个电子结构。实时检测电子运动的时间分辨率与记录变化发生位置的相干带宽相结合，为固态物理和化学提供了全新且强大的工具。

最根本的重要过程之一是光与物质的相互作用，例如，了解太阳能如何在植物或植物中收获太阳能电池如何将阳光转化为电能。材料科学的一个重要方面是利用光改变材料或物质的量子态或功能。

这种对材料多体动力学的研究解决了当代物理学的核心挑战，例如什么触发了量子相变，或者材料的特性如何从微观相互作用中产生。

最近在《自然通讯》《自然通讯》上发表了研究，ICFO研究人员ThemisSidiropoulos、NicolaDiPalo、AdamSummers、StefanoSeverino、MaurizioReduzzi和JensBiegert报告称，他们观察到，通过操纵材料的多体状态，光诱导石墨中电导率的增加和控制。

光物质混合体的阿秒泵浦探针测量

研究人员使用1850nm的载流子包络相位稳定亚2周期光脉冲来诱导光与物质混合状态。他们利用持续时间为165的阿秒软X射线脉冲，在285eV的石墨碳K边缘探测了电子动力学。阿秒软X射线吸收测量以阿秒间隔泵浦探针延迟步骤询问材料的整个电子结构。

1850nm的泵浦在材料中引起高电导率状态，这种状态仅由于光与物质的相互作用而存在;因此，它被称为光-物质混合体。

研究人员对这种条件很感兴趣，因为它们有望导致材料的量子特性，而这些特性在其他情况下不存在平衡状态，并且这些量子态可以以高达许多太赫兹的基本光学速度进行切换。然而，目前还不清楚这些状态在材料内部是如何准确体现的。

因此，最近的报告对光诱导超导性和其他拓扑相存在很多猜测。ICFO研究人员首次使用软X射线阿秒脉冲“观察材料内部”正如光物质状态所体现的那样。

该研究的第一作者ThemisSidiropoulos指出，“对相干探测、阿秒时间分辨率以及泵浦和探测器之间的阿秒同步的要求是完全新颖的，也是阿秒科学实现的此类新研究的基本要求。”

与扭转电子学和扭转双层石墨烯不同的是，实验人员通过物理方式操纵样品来观察电子特性的变化，西迪罗普洛斯解释说，“我们不是操纵样品，而是用强大的光脉冲光学激发材料，从而将电子激发到高能量状态并观察它们如何在材料内松弛，不仅是单独的，而且作为整个系统，观察这些电荷载流子与晶格本身之间的相互作用。”

为了了解石墨中的电子在施加强光脉冲后如何弛豫，他们采用了宽X射线光谱，首先观察了每个能态如何单独弛豫，其次观察了整个电子系统如何被激发，观察不同能级的光、载流子和原子核之间的多体相互作用。

通过观察这个系统，他们可以看到所有电荷载流子的能级表明材料的光学电导率在某一点增加，显示出超导相的特征或回忆。

他们怎么能看到这一点?事实上，在之前的出版物中，他们观察了固体内原子的相干(非随机)声子或集体激发的行为。

由于石墨具有一系列非常强(高能)的声子，因此它们可以有效地将大量能量从晶体中传输出去，而不会通过晶格的机械振动损坏材料。由于这些相干声子像波一样来回移动，固体内的电子似乎驾驭着波，产生了团队观察到的人工超导特征。

这项研究的结果显示了在光子集成电路或光学计算领域的有前景的应用，利用光来操纵电子或用光控制和操纵材料特性。

比格特说：“多体动力学是核心问题，并且可以说是当代物理学中最具挑战性的问题之一。我们在这里获得的结果开辟了物理学的新领域，提供了实时研究和操纵物质相关相的新颖方法实时，这是至关重要的现代技术。”