Как свет может создавать сверхпроводимость в графите: удивительные открытия аттосекундной науки

Свет является важным инструментом для исследования и манипулирования свойствами материалов. Свет может возбуждать электроны в твердых телах, изучать их динамику и индуцировать новые квантовые фазы, которые не реализуются в равновесии. Для этого требуются световые импульсы с короткой длительностью и высокой интенсивностью, которые могут проникать в глубину материала и регистрировать его электронную структуру.

Такие импульсы называются аттосекундными, потому что их длительность измеряется в аттосекундах — 10^-18 с. Для сравнения, за аттосекунду свет проходит расстояние, равное диаметру атома. Аттосекундные импульсы можно получать в области мягкого рентгеновского излучения, которое хорошо проникает в материалы и чувствительно к их элементному составу и электронному состоянию.

Используя аттосекундную мягкую рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, исследователи из Института фотоники (ICFO) в Испании исследовали взаимодействие света и материи на ультрабыстрых временных шкалах. Они выбрали в качестве объекта исследования графит — материал, состоящий из слоев атомов углерода, связанных в шестиугольные решетки. Графит обладает рядом интересных свойств, таких как высокая теплопроводность, электропроводность и анизотропия.

Исследователи осветили графит мощным оптическим импульсом, который возбудил электроны в высокоэнергетические состояния, и затем осветили его аттосекундным рентгеновским импульсом, который измерил его абсорбционный спектр. Абсорбционный спектр — это зависимость поглощения света от его энергии, которая отражает электронную структуру материала. Изменяя задержку между оптическим и рентгеновским импульсами, исследователи могли наблюдать, как электроны расслабляются в материале и как меняется его абсорбционный спектр.

Оказалось, что оптический импульс индуцировал в графите гибридное состояние свет-материя, которое существовало только благодаря взаимодействию света и материи. Такое состояние может приводить к квантовым свойствам материала, которые не наблюдаются в равновесии. Например, исследователи обнаружили, что абсорбционный спектр графита показал признаки сверхпроводимости — состояния, при котором материал теряет сопротивление электрическому току.

Механизм этого эффекта связан с наличием в графите сильных колебаний решетки, называемых фононами. Фононы — это квантовые единицы энергии, связанные с механическими вибрациями атомов в твердом теле. Фононы могут переносить большое количество энергии от кристалла без его разрушения. Кроме того, фононы могут быть когерентными, то есть двигаться синхронно, как волна. Электроны в твердом теле, в свою очередь, могут «ездить» на этой волне, образуя пары, которые не испытывают рассеяния на дефектах решетки. Такие пары электрон-фонон называются куперовскими, и они являются основой сверхпроводимости.

Результаты этого исследования демонстрируют новые возможности в области фотоники и оптоэлектроники, где свет используется для управления электронами и свойствами материалов. С помощью аттосекундных импульсов можно исследовать и манипулировать коррелированными фазами материи в реальном времени, что имеет важное значение для современных технологий. Также можно создавать новые квантовые состояния, которые могут иметь потенциальные приложения в квантовой информатике и метаматериалах. Аттосекундная наука открывает новый горизонт для понимания и управления светом и материей на самых фундаментальных уровнях.