石墨的量子飞跃：阿秒科学照亮人工超导之路

X 射线吸收光谱是材料分析的重要工具，随着阿秒软 X 射线脉冲的出现而不断发展。这些脉冲允许同时分析材料的整个电子结构，这是 ICFO 团队领导的一项突破。最近的一项研究表明，通过光-物质相互作用可以操纵石墨的导电性，揭示了光子电路和光学计算的潜在应用。光谱学的这一进展为研究材料中的多体动力学开辟了新的途径，而多体动力学是现代物理学的一个关键挑战。

ICFO研究人员在阿秒软X射线光谱学方面取得的进展改变了材料分析，特别是在研究光物质相互作用和多体动力学方面，对未来的技术应用产生了深远的影响。

X 射线吸收光谱是一种元素选择和电子状态敏感技术，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，这种方法还需要进行艰苦的波长扫描，而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 的阿秒科学和超快光学小组在 ICREA 教授 Jens Biegert h 的领导下，将阿秒软 X 射线吸收光谱法发展成为一种无需扫描、具有阿秒时间分辨率的新分析工具。

阿秒软 X 射线光谱学的突破性进展

阿秒软 X 射线脉冲的持续时间在 23 秒到 165 秒之间，同时相干软 X 射线的带宽在 120 到 600 eV 之间，可以一次性检测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，为固态物理学和化学提供了一种全新的强大工具。

当光激发电子与相干光声子强烈耦合时，将石墨暴露在强烈的超短中红外激光脉冲下会诱导出高度导电的光物质混合相。通过使用阿秒软 X 射线脉冲研究激发电子态的寿命，就可以观测到这种强光学驱动的多体状态”。资料来源：©ICFO

最重要的基本过程之一是光与物质的相互作用，例如，了解植物如何获取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。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难题，例如是什么触发了任何量子相变，或者材料的特性是如何从微观相互作用中产生的。

ICFO 研究人员的最新研究

ICFO 研究人员 Themis Sidiropoulos、Nicola Di Palo、Adam Summers、Stefano Severino、Maurizio Reduzzi 和 Jens Biegert 最近在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表的一项研究报告中指出，他们通过操纵石墨的多体状态，观察到了光诱导石墨电导率的增加和控制。

创新的测量技术

研究人员使用波长为 1850 纳米的载流子包相稳定亚 2 周期光脉冲来诱导光物质混合态。他们用持续时间为 165 秒的阿秒软 X 射线脉冲在 285 eV 的石墨碳 K 边探测电子动力学。阿秒级软 X 射线吸收测量以阿秒级间隔的泵浦-探针延迟步长询问了材料的整个电子结构。波长为 1850 nm 的泵浦在材料中诱导出一种高导电性状态，这种状态的存在完全是由于光物质的相互作用，因此被称为光物质混合体。

研究人员对这种条件很感兴趣，因为它们有望使材料产生在其他平衡状态下不存在的量子特性，而且这些量子态可以以高达数个太赫兹的光速进行切换。

然而，目前还不清楚这些状态在材料内部的具体表现。因此，最近关于光诱导超导和其他拓扑相的报道中存在着许多猜测。ICFO 的研究人员首次使用软 X 射线阿秒脉冲来”观察”材料内部的光物质态表现。

该研究的第一作者 Themis Sidiropoulos 指出：”对相干探测、阿秒级时间分辨率以及泵浦与探针之间的阿秒级同步的要求是完全新颖的，也是阿秒科学所促成的此类新研究的基本要求。”

石墨中的电子动力学

实验人员通过物理方法操纵样品来观察电子特性的变化，与扭转电子学和扭转双层石墨烯不同，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态，并观察这些电子如何在材料中弛豫，不仅是单独弛豫，而是作为一个整体系统弛豫，观察这些电荷载流子与晶格本身之间的相互作用”。

为了观察石墨中的电子在强脉冲光照射后是如何弛豫的，他们利用宽阔的X射线光谱，首先观察每个能态是如何单独弛豫的，其次观察整个电子系统是如何被激发的，从而观察光、载流子和不同能级的原子核之间的多体相互作用。通过观察这个系统，他们发现所有电荷载流子的能级都表明材料的光导率在某一点上有所提高，显示出超导阶段的特征或回忆。

观测相干声子

他们是如何看到这一点的呢？事实上，在之前发表的一篇文章中，他们观察到了相干（非随机）声子的行为或固体内部原子的集体激发。由于石墨具有非常强（高能）的声子阵列，这些声子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浪一样来回移动，固体中的电子似乎也会乘着这股波浪，产生研究小组观察到的人工超导现象。

影响和前景

这项研究结果表明，光子集成电路或光学计算领域的应用前景广阔，可以利用光来操纵电子，或利用光来控制和操纵材料特性。正如延斯-比格特总结的那样，”多体动力学是当代物理学的核心，也可以说是最具挑战性的问题之一。我们在这里取得的成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方法，这对现代技术至关重要”。