Ученые обнаружили гибридный прорыв света и материи

Гибридный материал легкой материи в тотосекундном масштабе демонстрирует повышенную проводимость и потенциально может применяться в солнечных элементах и ​​мощной электронике.

Исследование взаимодействия света и материи — это больше, чем просто академическое занятие. Это ключевое взаимодействие, которое способствовало технологическому прогрессу во многих областях.

Однако изучение отдельных взаимодействий между частицами света, называемыми фотонами, с атомами материи оказалось чрезвычайно трудным из-за их переходного характера, который иногда происходит всего за аттосекунду — миллиардную долю миллиардной секунды.

«Функция и свойства материи полностью зависят от совместного взаимодействия ее компонентов, электронов и ядер», — объяснил в электронном письме Йенс Бигерт, физик и профессор аттосекундной физики и сверхбыстрой оптики. «Проблема в том, чтобы понять их поведение в реальном времени и ничего не упустив. Нам впервые удалось сделать это с необходимой точностью за тотосекундное время».

За последнее десятилетие исследователи из группы Attoscience и сверхбыстрой оптики Института фотонных наук в Испании под руководством Бегерта разработали метод, называемый аттосекундной рентгеновской абсорбционной спектрометрией, для изучения взаимодействий легких частиц в этих чрезвычайно малых временных масштабах.

Недавно, благодаря доступности этой технологии, команда сообщает, что открыла новую фазу материи, которая появляется в тотосекундном масштабе, когда электроны взаимодействуют с мощным излучением.

Аттосекундные рентгеновские лучи

в Стади Опубликовано в Природные коммуникацииИсследователи облучили образец графита мощным инфракрасным светом, а затем исследовали реакцию электронов в материале, сканируя образец аттосекундными импульсами рентгеновских лучей.

«Графит был первым испытательным примером, потому что он используется повсюду, и потому что его трудно сломать, потому что у материала есть динамика, которая происходит практически во всех временных масштабах от тотосекунд до пикосекунд», — объяснил Бегерт. «Определить различные динамики и их временные рамки действительно сложно. Следовательно, остаются открытые вопросы, хотя графит является одним из наиболее хорошо изученных материалов».

В зависимости от состояния электронов в материале он поглощает свет определенной частоты с фиксированной вероятностью, поэтому, измеряя свойства электромагнитных волн, проходящих через материал или отражающихся от него, можно узнать состояние его электронов, в то время как короткая длина волны рентгеновских лучей позволяет изучать материал с очень высоким пространственным разрешением.

«Мы оптически возбуждаем материал мощным световым импульсом, переводя таким образом электроны в высокоэнергетические состояния и наблюдая, как эти электроны релаксируют внутри материала не только по отдельности, но и как целая система, наблюдая за взаимодействием между этими носителями заряда и самой решеткой. », — объяснила Фемис Сидеропулос, первый автор исследования. пресс-релиз.

Гибрид легкой материи

Исследование показало, что изменение интенсивности инфракрасного света меняет свойства электрона в отношении силы излучения. Это отклонение в их поведении от поведения невзаимодействующих электронов указывает на то, что материал вошел в особую фазу, которую команда назвала гибридом света и материи, в которой электроны подвергаются более сильному взаимодействию со светом, другими электронами и кристаллической решеткой графита.

Одним из наиболее примечательных свойств новой физической фазы является то, что электроны проявляют гораздо меньшее сопротивление, чем в исходном состоянии, что напоминает поведение сверхпроводимости.

Сверхпроводимость — очень желательное физическое свойство, которое, как многие надеются, однажды приведет к прорывам в электронике, классических и квантовых вычислениях и энергетике, хотя теоретически оно еще недостаточно изучено, что заставляет ученых в значительной степени полагаться на экспериментальные методы.

Кроме того, результаты исследования могут оказаться ценными при разработке солнечных элементов, работа которых основана на преобразовании солнечного света в электрический ток, а также в оптических вычислениях, которые используют свет для управления состоянием электронов и других полей. Технологии.

«Текущее исследование затрагивает некоторые фундаментальные вопросы, относящиеся к новой области хитроумной электроники, где материалы комбинируются в соответствии с их свойствами для достижения новых функций», — сказал Бегерт. «Поэтому исследование является фундаментальным, но имеет сферу применения. Оно может потенциально использоваться для мощной электроники, целью которой является уменьшение собственных потерь энергии».

«Это только начало, и это было испытание для нас», — заключил он. «Мы планируем применить нашу новую методологию к фундаментальным и прикладным вопросам сбора света, сверхбыстрой электроники, фазовых переходов и сверхпроводимости».

Ссылка: TPH Сидиропулос и др., «Повышенная оптическая проводимость и перекрестные эффекты в фотоактивном полуметаллическом графите«Nature Communications (2023)». doi: 10.1038/s41467-023-43191-5.

Изображение предоставлено: Герд Альтманн на Pixabay