Attoscience揭示了石墨中的光-物质混合相，让人想起超导性

将石墨暴露在强烈的超短中红外激光脉冲中，当光激发电子与相干光学声子强耦合时，会产生高导电性的光物质混合相。通过用阿秒软x射线脉冲研究激发态的寿命，观察这种强光驱动的多体态成为可能。来源:国际民航组织

x射线吸收光谱是一种元素选择性和电子态敏感技术，是研究材料或物质组成的最广泛使用的分析技术之一。直到最近，这种方法需要费力的波长扫描，并且不能提供超快的时间分辨率来研究电子动力学。

在过去的十年中，由icro教授Jens Biegert领导的ICFO的Attoscience和超快光学小组已经将阿秒软x射线吸收光谱发展成为一种新的分析工具，无需扫描，具有阿秒时间分辨率。

持续时间在23阿秒到165阿秒之间的阿秒软x射线脉冲，伴随的相干软x射线带宽从120到600 eV，可以一次对材料的整个电子结构进行探测。实时检测电子运动的时间分辨率和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一种全新而强大的工具。最根本的重要过程之一是光与物质的相互作用，例如，了解植物如何收集太阳能或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用光改变材料或物质的量子态或功能的前景。这种对材料多体动力学的研究解决了当代物理学中的核心挑战，例如是什么触发了任何量子相变，或者材料的性质是如何从微观相互作用中产生的。ICFO的研究人员Themis Sidiropoulos、Nicola Di Palo、Adam Summers、Stefano Severino、Maurizio Reduzzi和Jens Biegert最近发表在《自然通讯》上的一项研究报告称，他们通过操纵材料的多体状态，观察到光诱导石墨电导率的增加和控制。

光-物质混合的阿秒泵浦-探针测量

研究人员使用载波包络相稳定的亚2周期光脉冲在1850 nm诱导光-物质混合态。他们在285 eV的石墨碳k边用持续时间为165的阿秒软x射线脉冲探测了电子动力学。阿秒软x射线吸收测量以阿秒间隔的泵浦-探针延迟步骤询问材料的整个电子结构。在1850 nm处的泵浦诱导了材料的高导电性状态，这种状态仅由于光-物质相互作用而存在;因此，它被称为光-物质混合物。研究人员对这种情况很感兴趣，因为它们有望导致材料的量子特性，否则这些量子特性在平衡状态下不存在，而且这些量子态可以以高达许多太赫兹的光学速度进行切换。然而，在很大程度上还不清楚这些状态究竟是如何在物质内部表现出来的。因此，在最近的报道中存在着许多关于光致超导和其他拓扑相的推测。ICFO的研究人员首次使用软x射线阿秒脉冲来“观察材料内部”的光物质状态。

该研究的第一作者Themis Sidiropoulos指出:“对相干探测、阿秒时间分辨率和泵与探针之间的阿秒同步的要求是全新的，也是阿秒科学支持的这种新研究的基本要求。”

与扭曲电子学和扭曲双层石墨烯不同，实验人员通过物理操作样品来观察电子特性的变化，Sidiropoulos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，并观察这些电子如何在材料中放松，不仅是单独的，而且是作为一个整体系统，”观察这些载流子和晶格之间的相互作用。”

为了观察在强光脉冲作用下石墨中的电子是如何弛豫的，他们采用了宽x射线光谱，首先观察了每个能态是如何单独弛豫的，其次观察了整个电子系统是如何被激发的，观察了不同能级的光、载流子和原子核之间的多体相互作用。

通过观察该体系，他们可以看到，所有载流子的能级表明材料的光学导电性在某一点上增加，显示出超导相的特征或回忆。他们是怎么看到的?事实上，在之前的一篇论文中，他们观察到了固体中原子的相干(非随机)声子或集体激发的行为。因为石墨有一组非常强(高能量)的声子，这些声子可以有效地从晶体中传输大量的能量，而不会通过晶格的机械振动破坏材料。由于这些相干声子像波浪一样来回移动，固体中的电子似乎也在波浪中移动，产生了研究小组观察到的人工超导特征。本研究结果在光子集成电路或光学计算领域具有广阔的应用前景，利用光操纵电子或利用光控制和操纵材料性质。

Biegert说:“多体动力学是当代物理学最具挑战性的核心问题之一。我们在这里获得的结果打开了物理学的一个新领域，提供了实时研究和操纵物质相关相的新方法，这对现代技术至关重要。"