La spectroscopie d’absorption des rayons X, un outil essentiel dans l’analyse des matériaux, a évolué avec l’avènement des impulsions de rayons X mous attosecondes. Ces impulsions permettent d’analyser simultanément l’ensemble de la structure électronique d’un matériau, une avancée menée par l’équipe ICFO. Une étude récente a démontré la manipulation de la conductivité du graphite par l’interaction lumière-matière, révélant des applications potentielles dans les circuits photoniques et l’informatique optique. Ces progrès en spectroscopie ouvrent de nouvelles voies pour étudier la dynamique à N corps dans les matériaux, un défi majeur de la physique moderne. Crédit : Issues.fr.com
Les progrès réalisés dans la spectroscopie attoseconde des rayons X mous réalisés par les chercheurs de l’ICFO ont transformé l’analyse des matériaux, en particulier dans l’étude des interactions lumière-matière et de la dynamique à N corps, avec des implications prometteuses pour les applications technologiques futures.
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 ardu des longueurs d’onde et ne fournissait pas de résolution temporelle ultra-rapide 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 h, a développé la spectroscopie d’absorption attoseconde des rayons X mous en un nouvel outil analytique sans avoir besoin de balayage et avec une spectroscopie temporelle attoseconde. résolution.(1,2)
Percée dans la spectroscopie à rayons X mous attoseconde
Impulsions attosecondes de rayons X mous d’une durée comprise entre 23 as et 165 as et bande passante cohérente concomitante de rayons X mous de 120 à 600 eV(3) permettre 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’exposition du graphite à une impulsion laser intense ultracourte dans l’infrarouge moyen induit une phase hybride lumière-matière hautement conductrice alors que les électrons optiquement excités se couplent fortement à des phonons optiques cohérents. Les observations d’un état à N corps aussi fortement piloté optiquement deviennent possibles en étudiant la durée de vie des états électroniques excités avec une impulsion de rayons X mous attoseconde. Crédit : ©ICFO
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 possibilité de modifier l’état quantique, ou la fonction, d’un matériau ou d’une substance grâce à 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.
Étude récente réalisée par des chercheurs de l’ICFO
Dans une étude récente publiée dans la revue Communications naturellesles 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 induits par la lumière dans le graphite en manipulant l’état à plusieurs corps du matériau.
Techniques de mesure innovantes
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 la structure électronique entière 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 ».
Dynamique électronique dans le graphite
Contrairement aux twistronics et aux bicouches torsadées graphèneoù 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 des états de haute énergie et observons comment ceux-ci se détendent. au sein du matériau, non seulement individuellement mais dans son 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 plusieurs 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.
Observation de phonons cohérents
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.
Implications et perspectives d’avenir
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. Comme le conclut Jens Biegert, « 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 matière en temps réel, ce qui est crucial pour les technologies modernes.
Remarques
- « Source de rayons X mous de table à haut flux pilotée par des impulsions de 1,85 m à 1 kHz stables au cycle sub-2, CEP pour la spectroscopie du carbone K-edge » par F. Silva, S. Teichmann, M. Hemmer, SL Cousin, J. Biegert et B. Buades, 14 septembre 2014, Lettres d’optique.
DOI : est ce que je:10.1364/OL.39.005383 - «Spectroscopie dispersive de structure fine d’absorption des rayons X mous dans le graphite avec une impulsion attoseconde» par Iker León, Themistoklis PH Sidiropoulos, Irina Pi, Dooshaye Moonshiram, Antonio Picón, Jens Biegert, Nicola Di Palo, Peter Schmidt, Seth L. Cousin, Bárbara Buades et Frank Koppens, 19 mai 2018, Optique.
DOI : est ce que je:10.1364/OPTICA.5.000502 - « Stries attosecondes dans la fenêtre d’eau : un nouveau régime de caractérisation des impulsions attosecondes » par Seth L. Cousin, Nicola Di Palo, Bárbara Buades, Stephan M. Teichmann, M. Reduzzi, M. Devetta, A. Kheifets, G. Sansone et Jens Biegert, 2 novembre 2017, Examen physique X.
DOI : 10.1103/PhysRevX.7.041030
