石墨的量子飞跃：阿秒科学引领通向超导性的新路径 [译]

ICFO 的研究人员在阿秒级软 X 射线光谱学方面取得的进步，极大地改进了对材料的分析，特别是在研究光与物质的相互作用和复杂的多体动力学方面，为未来技术的应用开辟了新的可能性。

X 射线吸收光谱是一种能够精准识别元素和电子状态的技术，广泛应用于材料成分的研究。之前，这种方法需要进行复杂的波长扫描，并且无法快速捕捉电子的动态变化。

过去十年里，ICFO 的 Attoscience and Ultrafast Optics 小组在 Jens Biegert 教授的带领下，将阿秒软 X 射线吸收光谱学发展成了一种新的分析工具，这种工具不仅免去了繁琐的扫描过程，还能实现阿秒级的时间分辨率。[1,2]

阿秒软 X 射线光谱学的突破

持续时间在 23 至 165 阿秒之间的阿秒软 X 射线脉冲，并伴有 120 至 600 电子伏特[3]的连续软 X 射线带宽，使得研究者可以一次性全面审视材料的电子结构。

这种技术将实时检测电子运动的时间分辨率和捕捉变化发生位置的连续带宽相结合，为固态物理学和化学领域带来了一种全新且强大的研究工具。

光与物质的相互作用是科学中最基本也最重要的过程之一，这关系到我们理解植物如何利用太阳能，以及太阳能电池是如何将阳光转换为电能的。

材料科学的一个关键方面在于，光能改变材料或物质的量子态或功能。对材料的多体动力学进行研究，可以帮助我们解决一些物理学领域的核心难题，比如何种机制会触发量子相变，或是材料的属性是如何从微观相互作用中产生的。

最近 ICFO 研究人员的研究

在《Nature Communications》杂志最近发表的一项研究中，ICFO 的研究团队，包括 Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi 和 Jens Biegert，报告了他们如何通过操控石墨的多体状态，观察到光诱导下石墨的导电性显著增加和可控性。

创新测量技术

研究者们利用载波包络相位稳定的不足 2 周期的光脉冲（在 1850 nm 波长）来诱发光物质混合态（light-matter hybrid state）。他们使用持续时间为 165 attoseconds（阿秒）的软 X 射线脉冲，在石墨的碳 K-edge（285 eV）探测电子动力学。通过以阿秒间隔的泵探延迟步骤进行软 X 射线吸收测量，研究了材料的整体电子结构。在 1850 nm 波长的泵作用下，材料进入了一种高导电状态，这种状态仅因光与物质的相互作用而存在，因此称之为光物质混合态。

研究者对这种状态感兴趣，因为它预示着材料可能展现出在平衡状态下不存在的量子特性，这些量子状态可以在光速速度下切换，频率可达数 THz。

然而，这些状态在材料内部的具体表现方式尚不明确。因此，最近关于光诱导超导性（light-induced superconductivity）和其他拓扑相的报道存在许多猜测。ICFO 的研究人员首次使用软 X 射线阿秒脉冲来“深入材料内部”，观察光物质状态的显现。

该研究的主要作者 Themis Sidiropoulos 指出：“对于相干探测、阿秒级时间分辨率以及泵和探测之间的阿秒级同步，这些全新的要求对于 attosecond 科学使得这些新型调查成为可能至关重要。”

石墨中的电子动力学

与扭曲电子学（twistronics）和扭曲双层石墨烯（twisted bilayer graphene）不同，后者需要通过物理手段操纵样品来观察电子特性的变化，Sidiropoulos 解释说：“我们没有操纵样品，而是使用强大的光脉冲来光学激发材料，使电子进入高能态，并观察这些电子在材料中的放松过程，不仅仅是个别电子，而是作为整个系统，监视电荷载体与晶格之间的相互作用。”

为了观察石墨中的电子在强光脉冲作用后的放松情况，他们分析了广泛的 X 射线光谱，并首先观察到每个能态的单独放松情况，其次是整个电子系统的激发状态，以探究不同能量水平下光、电荷载体和原子核之间的多体相互作用（many-body interaction）。通过观察这个系统，他们发现所有电荷载体的能量水平显示出材料的光学导电性（optical conductivity）在某一点增加，呈现出超导相的特征或迹象。

观察到的相干声子（Coherent Phonons）

他们是如何发现这一现象的？在先前的一篇论文中，研究团队观察到了石墨中原子的相干声子或集体激发行为，这与随机运动不同。石墨中的相干声子具有很高的能量，能高效地将大量能量从晶体转移出去，而不会通过晶格的机械振动对材料造成损伤。这些声子就像波浪一样在晶体内前后移动，导致电子仿佛在“乘波”，从而产生了团队观察到的类似人造超导性的特征。

研究的影响及未来前景

这项研究的成果在光子集成电路或光学计算领域显示出巨大的应用潜力。通过光来操控电子，或者用光来控制和操纵材料的属性。Jens Biegert 指出：“多体动力学是当代物理学的核心领域之一，也是最具挑战性的问题之一。我们的研究结果开辟了物理学的新领域，提供了实时研究和操控物质相关阶段的新途径，这对现代科技至关重要。”

参考：“强烈光激发下半金属石墨的光导电性增强与多体效应研究”，作者 T. P. H. Sidiropoulos, N. Di Palo, D. E. Rivas, A. Summers, S. Severino, M. Reduzzi 和 J. Biegert, 2023 年 11 月 16 日发表于《自然通讯》。
DOI: 10.1038/s41467-023-43191-5

注释

1. “一种用于碳 K 边缘光谱研究的新型高效软 X 射线源：由超短（不足 2 周期）、稳定的 1.85 微米波长 1 千赫兹脉冲驱动”作者：F. Silva, S. Teichmann, M. Hemmer, S. L. Cousin, J. Biegert 和 B. Buades，发表于 2014 年 9 月 14 日，Optics Letters。 DOI: doi:10.1364/OL.39.005383
2. “阿秒脉冲技术在石墨材料研究中的应用：一种新颖的软 X 射线吸收细结构光谱学方法”作者：Iker León, Themistoklis P. H. Sidiropoulos, Irina Pi, Dooshaye Moonshiram, Antonio Picón, Jens Biegert, Nicola Di Palo, Peter Schmidt, Seth L. Cousin, Bárbara Buades 和 Frank Koppens，发表于 2018 年 5 月 19 日，Optica。 DOI: doi:10.1364/OPTICA.5.000502
3. “探索阿秒级时间尺度：在‘水窗’频段进行的阿秒条纹实验及其对脉冲表征的新见解”作者：Seth L. Cousin, Nicola Di Palo, Bárbara Buades, Stephan M. Teichmann, M. Reduzzi, M. Devetta, A. Kheifets, G. Sansone 和 Jens Biegert，发表于 2017 年 11 月 2 日，Physical Review X。 DOI: 10.1103/PhysRevX.7.041030