X射線揭示物質(zhì)的一個新階段

西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所（ICFO，）的Attoscience and Ultrafast Optics小組的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)相，恰當(dāng)?shù)孛麨椤肮馕镔|(zhì)混合物”，這是一項可能重塑我們對光如何與物質(zhì)相互作用的理解的科學(xué)突破。發(fā)表在《自然通訊》上的這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了一種以前從未見過的材料狀態(tài)，還為光伏、高功率電子等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用打開了大門。在混合材料中，材料的性能會根據(jù)脈沖光的強度而改變，在一種情況下，電阻會降至接近零。

這項技術(shù)的核心是阿秒x射線吸收光譜，它使ICFO研究團(tuán)隊能夠研究電子在短至十億分之一秒（阿秒）的時間尺度上暴露于強大的紅外輻射時的行為。這是通過經(jīng)典的泵浦探針技術(shù)實現(xiàn)的，其中紅外激光脈沖將電子激發(fā)到高能態(tài)，隨后x射線束在受控的時間延遲后探測激發(fā)的電子的能量分布。

領(lǐng)導(dǎo)該研究團(tuán)隊的物理學(xué)家、ICFO教授Jens Biegert說：“我們由此來測量高能態(tài)電子弛豫的速度?！蓖ㄟ^在激發(fā)后的不同時間進(jìn)行探測，他們可以完整地了解電子是如何以及何時回落到基態(tài)的。

“The strength of the light makes the difference as it modifies the material’s properties via the electrons.”
—Jens Biegert, ICFO, Barcelona

研究中使用的主要材料是石墨，選擇石墨是因為其復(fù)雜的特性。但Biegert表示，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到廣泛的材料而采用的測量技術(shù)是通用的。唯一的要求是存在一個原子，其x射線吸收線被x射線探測器的光譜覆蓋，這使得硅等元素成為探索的可行候選材料。

研究表明，通過改變紅外光的強度，電子的性質(zhì)與輻射功率相關(guān)。這種行為的偏差標(biāo)志著物質(zhì)進(jìn)入了一個不同的階段，稱為“l(fā)ight-matter hybrid”。

Biegert解釋道：“光的強度通過電子改變材料的性質(zhì)，從而產(chǎn)生差異?！?/p>

在這種狀態(tài)下，電子表現(xiàn)出比原始狀態(tài)低幾個數(shù)量級的電阻，類似于超導(dǎo)行為（https://spectrum.ieee.org/tag/superconductors）。雖然這項工作無法利用超導(dǎo)性，但它可能有助于更好地理解其中的機(jī)制。

這種輕物質(zhì)混合態(tài)能持續(xù)多久是一個懸而未決的問題。但Beigert認(rèn)為，有證據(jù)支持這樣一種觀點，即精心計時的脈沖序列可以顯著延長時間尺度。這項技術(shù)可能為光子集成電路或光學(xué)計算的發(fā)展開辟道路。

Biegert建議：“人們可以設(shè)想將這種快速變化作為計算的開關(guān)。或者想象一個電子元件，其中不僅電子是活性成分，而且材料也會發(fā)生變化。這將使電子元件同時具有不同的功能成為可能?！?/p>

Biegert認(rèn)為，這項研究也與光伏領(lǐng)域有關(guān)，在光伏領(lǐng)域，了解材料內(nèi)部的確切相互作用對于提高轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要（https://spectrum.ieee.org/tag/photovoltaics）。他說：“不過，光伏技術(shù)的一個問題是，我們并沒有真正理解或控制材料內(nèi)部的確切相互作用。”

例如，固體中光子的吸收導(dǎo)致從光場到原子的能量轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移發(fā)生在阿秒到皮秒甚至更長的時間內(nèi)。利用這項技術(shù)，現(xiàn)在可以追蹤光學(xué)激發(fā)材料后能量的重新分布。