石墨的量子飛躍 原子科學照亮超導之路

編譯/高晟鈞

X射線吸收光譜是一種具有元素選擇性並對電子態敏感的技術,被廣泛用於研究材料或物質成分。然而,該技術需要經過繁瑣的波長掃描,無法提供極短時間的解析度來研究電子動力學。

石墨的量子飛躍,原子科學照亮超導之路。(圖/截取自 Scitechdaily)

隨著阿秒X射線技術的不斷發展,在過去十年中,來自ICFO的研究小組已經成功將阿秒軟X射線吸收光譜發展為一種新的分析工具,替除掉掃描的環節,並且可以進行阿秒時間內的觀測。

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阿秒X射線

持續時間在23阿秒到165阿秒之間的軟X射線脈衝,伴隨的120到600eV的相干軟X射線帶寬允許立即我們觀測材料的整個電子結構。

這對於固態物理與化學提供了強大的輔助。其中之一便是瞭解光與物質的相互作用,包括了解植物如何收集太陽能,而我們將如何更好利用太陽能電池將陽光轉化為電能。

材料科學的一個重要面向是利用光改變材料或物質的量子態或功能的前景。這種對材料多體動力學的研究解決了當代物理學的核心挑戰,例如:是什麼觸發了量子相變;材料的特性如何從微觀相互作用中產生等。

石墨烯中的電子動力學

研究團隊透過強大的光脈衝激發材料後,從而將電子激發成高能量狀態並觀察它們如何在材料內鬆弛,不僅是單獨的,而且作為整個系統,觀察這些電荷載流子與晶格本身的相互作用。

為了了解施加強光脈衝後石墨中的電子如何運動,他們採用了寬X射線光譜。首先觀察了每個能態如何單獨運動,其次觀察了整個電子系統如何被激發,以觀察不同能階的光、載子和原子核之間的多體相互作用。透過觀察這個系統,他們可以看到所有電荷載子的能階表明材料的光學電導率在某個點上增加。

這項研究的結果對於光子積體電路或光學計算領域有著巨大的幫助,這意味著我們能夠知道如何利用光來操縱電子或控制材料特性。

資料來源:Scitechdaily

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