X 線吸収分光法は材料分析の重要なツールであり、アト秒軟 X 線パルスの出現とともに進化し続けています。これらのパルスにより、材料全体の電子構造を同時に分析できるようになり、これは ICFO チームが主導した画期的な成果です。最近の研究では、グラファイトの導電率が光と物質の相互作用を通じて操作できることが示されており、フォトニック回路や光コンピューティングにおける潜在的な応用が明らかになりました。分光法のこの進歩は、現代物理学における重要な課題である材料の多体力学を研究するための新たな道を開きます。
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を変革し、将来の技術応用に重大な影響を及ぼしました。
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、材料または物質組成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、このアプローチ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提供されませんでした。
ICREA のイェンス・ビーガース教授が率いる ICFO のアト秒科学・超高速光学グループは、過去 10 年にわたり、アト秒軟 X 線吸収分光法を、アト秒時間分解能を備えたスキャン不要の新しい分析ツールとして開発しました。
アト秒軟X線分光法の画期的な進歩
アト秒軟X線パルスの継続時間は23秒から165秒の範囲ですが、コヒーレント軟X線の帯域幅は120から600eVの範囲にあり、物質の電子構造全体を一度に検出できます。
電子の動きをリアルタイムで検出する時間分解能と、変化が発生した場所を記録するコヒーレンス帯域幅を組み合わせることで、固体の物理学と化学に新しい強力なツールが提供されます。
最も重要な基本プロセスの 1 つは、光と物質の相互作用です。たとえば、植物がどのように太陽エネルギーを収集するか、または太陽電池がどのように太陽光を電気に変換するかを理解することができます。
材料科学の重要な側面は、光を使用して材料や物質の量子状態や機能を変化させることです。材料の多体力学に関するこの研究は、何が量子相転移を引き起こすのか、あるいは材料の特性が微視的な相互作用からどのように生じるのかなど、現代物理学の核心的な謎に対処します。
ICFOの研究者による最新研究
ICFOの研究者であるテミス・シディロプロス氏、ニコラ・ディパロ氏、アダム・サマーズ氏、ステファノ・セヴェリーノ氏、マウリツィオ・レドゥッツィ氏、イェンス・ビーガート氏は、ネイチャー・コミュニケーションズ誌に掲載された最近の研究報告で、グラファイトの多体状態を操作することによって光誘起のグラファイトの導電率の増加と制御を観察したと報告した。
革新的な測定技術
研究者らは、光物質の混合状態を誘導するために、波長1850ナノメートルのキャリアパケット位相安定化サブ2周期光パルスを使用した。彼らは、持続時間165秒のアト秒軟X線パルスを使用して、285 eVのグラファイトカーボンのK端における電子のダイナミクスを調べた。アト秒の軟 X 線吸収測定では、アト秒間隔のポンプとプローブの遅延ステップを使用して、材料の電子構造全体を調べます。 1850 nm の波長でポンピングすると、材料内に高度な導電性状態が誘導されます。この状態の存在は完全に光と物質の相互作用によるものであるため、光と物質の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、材料が他の平衡状態では存在しない量子特性を発現できることが期待されており、これらの量子状態は数テラヘルツまでの光の速度で切り替えることができるためです。
ただし、これらの状態がマテリアル内でどのように動作するかは現時点では不明です。したがって、光誘起超伝導やその他のトポロジカル相については、最近の報告で多くの推測がなされています。 ICFOの研究者らは、物質内部の軽物質状態の挙動を「観察」するために初めて軟X線アト秒パルスを使用した。
この研究の筆頭著者であるテミス・シディロプロス氏は、「コヒーレント検出、アト秒時間分解能、ポンプとプローブ間のアト秒同期の要件は、アト秒科学によって可能になるこの種の新しい研究にとって、まったく新規かつ基本的な要件である」と述べた。
グラファイトの電子力学
実験者はサンプルを物理的に操作して、電子特性の変化を観察します。ねじれエレクトロニクスやねじれ二層グラフェンとは異なり、シディロプロス氏は次のように説明します。「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、これらの電子が材料内でどのように緩和するかを観察します。個々の電子だけでなくシステム全体として緩和し、これらの電荷キャリアと結晶格子自体の間の相互作用を観察します。」
強いパルス光を照射したグラファイト中の電子がどのように緩和するかを観察するために、広いX線スペクトルを用いて、まず各エネルギー状態が個別に緩和する様子を観察し、次に電子系全体が励起される様子を観察し、異なるエネルギーレベルでの光、キャリア、原子核間の多体相互作用を観察しました。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、材料の光伝導性がある時点で増加し、超伝導相の痕跡または記憶を示していることを発見した。
コヒーレントフォノンの観察
彼らはこれをどう見たのでしょうか？実際、以前に発表された論文で、彼らはコヒーレントな (ランダムではない) フォノンの挙動、つまり固体内部の原子の集団励起を観察しました。グラファイトは非常に強力な（高エネルギー）フォノン配列を持っているため、これらのフォノンは結晶格子の機械的振動によって材料を損傷することなく、大量のエネルギーを結晶から効率的に伝達できます。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、固体内の電子はこれらの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が生じます。
影響と展望
この発見は、光を電子の操作に使用したり、光を使用して材料特性を制御および操作したりできる、フォトニック集積回路または光コンピューティングにおける有望な用途を示唆しています。 Jens-Bigert 氏は次のように結論付けています。「多体力学は現代物理学の中心であり、おそらく最も困難な問題の 1 つです。ここで私たちが達成した成果は、物理学の新しい分野を切り開き、物質の関連する相をリアルタイムで研究および操作する新しい方法を提供します。これは現代の技術にとって極めて重要です。」
コンパイルされたソース: ScitechDaily