アトサイエンスが超伝導への道を照らす

ICFO の研究者らによるアト秒軟 X 線分光法の進歩は、特に光物質相互作用や多体動力学の研究における材料分析に変革をもたらし、将来の技術応用に有望な影響をもたらしました。

X 線吸収分光法は、元素選択性と電子状態に敏感な技術であり、物質や物質の構造を研究するために最も広く使用されている分析技術の 1 つです。 最近まで、この方法では骨の折れる波長スキャンが必要であり、電子ダイナミクスを研究するための超高速の時間分解能は得られませんでした。

ICFO の ICREA 教授イェンス・ビーガート氏が率いる ICFO のアトサイエンスおよび超高速光学グループは、過去 10 年にわたって、アト秒軟 X 線吸収分光法を、スキャンを必要とせず、アト秒分解能を備えた新しい分析ツールとして開発してきました。^[1,2]

アト秒軟X線分光法の画期的な進歩

アト秒軟 X 線パルスの持続時間は 23 ～ 165 フィート、関連するコヒーレント軟 X 線帯域幅は 120 ～ 600 eV です。^[3] 材料の電子構造全体を一度に調べることができます。

リアルタイムの電子動作検出の時間分解能と、変化が発生した場所を記録するコヒーレントな帯域幅を組み合わせることで、固体物理学および化学のためのまったく新しい強力なツールが提供されます。

グラファイトを超短中赤外レーザーパルスに曝露すると、光励起された電子がコヒーレントなフォトニックフォノンと強く結合する、フォトニック物質の高伝導性ハイブリッド相が生じます。 このような光励起された強い多体状態の観察は、軟アト秒X線パルスを用いて励起された電子状態の寿命を研究することによって可能になります。 クレジット: ©ICFO

最も重要なプロセスの 1 つは、光と物質の相互作用です。たとえば、植物で太陽エネルギーがどのように収集されるか、または太陽電池が太陽光を電気に変換する方法を理解するためです。

材料科学の基本的な側面は、材料または物質の量子状態または機能が光によって変化する可能性があるということです。 材料の多体力学に関するこのような研究は、量子相転移の引き金となるものや、微視的な相互作用から材料特性がどのように生じるかなど、現代物理学の基本的な課題に対処します。

ICFOの研究者によって行われた最近の研究

雑誌に掲載された最近の研究では ネイチャーコミュニケーションズICFOの研究者、テミス・シディロプロス、ニコラ・ディ・パロ、アダム・サマーズ、ステファノ・セヴェリーノ、マウリツィオ・レドゥッツィ、イェンス・ビガートは、材​​料の多体状態を操作することにより、光誘起によるグラファイトの導電率の増加と制御を観察したことを報告している。

革新的な測定技術

研究者らは、キャリア相の安定したサブサイクルを持ち、1850 nmでエンベロープされた光パルスを使用して、フォトニック材料のハイブリッド状態を誘導しました。 彼らは、285 eVのグラファイトの炭素K端で165 kmのアト秒軟X線パルスを使用して電子ダイナミクスを研究しました。 アト秒軟X線吸収測定法は、アト秒のポンプとプローブの遅延ステップで材料の電子構造全体を調べました。 1850 nm のポンプは材料内に高伝導状態を誘導しましたが、この状態は光物質の相互作用によってのみ存在します。 したがって、それは光物質ハイブリッドと呼ばれます。

研究者がこのような条件に興味を持っているのは、他の平衡状態では存在しない材料の量子特性が生じると期待されており、これらの量子状態は最大数テラヘルツの基本光学速度で切り替えることができるためです。

しかし、状態が物質内にどのように正確に現れるのかはほとんど不明です。 したがって、最近の報告では、光誘起超伝導やその他のトポロジカル相について多くの推測がなされています。 ICFOの研究者らは、軟X線のアト秒パルスを初めて使用して「物質の内部を観察」し、物質の状態を光で示した。

「コヒーレントな調査、アト秒の時間分解能、ポンプとプローブ間のアト秒の同期に関する要件はまったく新しいものであり、アト秒科学によって可能になるこのような新しい調査には不可欠な要件です」とこの研究の筆頭著者であるテミス・シディロプロス氏は指摘する。

グラファイトの電子ダイナミクス

電子コイルやねじれた二重層とは異なります。 グラフェン「サンプルを操作する代わりに、強力な光パルスで材料を光学的に励起し、それによって電子を高エネルギー状態に励起し、これらの電子がどのように緩和するかを観察します。」材料内で、個別だけでなく完全なシステムとして、電荷キャリアとネットワーク自体の間の相互作用。

強い光パルスを照射した後にグラファイト内の電子がどのように緩和するかを調べるために、さまざまなエネルギーレベルの広いスペクトルを取得しました。 この系を観察することで、すべての電荷キャリアのエネルギー準位が、ある時点で材料の光伝導性が増加し、超伝導相の痕跡や記憶を示していることを確認できました。

コヒーレントフォノンの観察

彼らはどうやってこれを見ることができたのでしょうか？ 実は、以前の投稿で、彼らは固体内の（ランダムではなく）コヒーレントなフォノンまたは原子の集団励起の挙動を観察しました。 グラファイトには非常に強力な（高エネルギー）フォノンが多数含まれているため、格子の機械的振動によって材料に損傷を与えることなく、結晶から大量のエネルギーを効率的に移動させることができます。 これらのコヒーレントなフォノンは波のように前後に移動するため、固体内の電子は波に乗っているように見え、研究チームが観察した人工超伝導の痕跡が生成されます。

意味と将来の展望

この研究の結果は、光を使用して電子を操作したり、材料の特性を制御して光でそれらを操作したりする、フォトニック集積回路または光コンピューティングの分野での有望な応用を示しています。 「多体力学はその核心であり、おそらく現代物理学の最も困難な問題の 1 つです。ここで得られた結果は物理学の新しい世界を切り開き、相互接続された相を調査および操作する新しい方法を提供します」と Jens Bigert 氏は結論付けています。これは現代のテクノロジーにとって極めて重要です。

参考文献: 「強力に光触媒された半金属グラファイトにおける光伝導性の強化と多体効果」TPH Sidiropoulos および N. ディ パロ、D.E. リバス、A. サマーズとS. セベリーノとM. レドゥッツィと J. ビーガート、2023 年 11 月 16 日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
土井: 10.1038/s41467-023-43191-5

ノート

1. 「サブサイクル駆動の高磁束テーブルトップソフトボディス、2014 年 9 月 14 日、 光学文字。
   土井:10.1364/OL.39.005383
2. 「分散ソフトの微細構造分光法」 バーバラ・バディスとフランク・コピンズ、2018年5月19日、 光学。
   土井:10.1364/OPTICA.5.000502
3. 「水窓のアト秒線: アト秒脈動を特徴付ける新しいシステム」Seth L. コシン、ニコラ ディ パロ、バーバラ ボディス、ステファン M. ティッシュマン、M. レドゥッツィ、M. デヴィータ、A. イェンス・ビガート、2017 年 11 月 2 日、 身体検査。
   土井: 10.1103/PhysRevX.7.041030