X 射線吸收光譜是材料分析的重要工具，隨著阿秒軟X 射線脈衝的出現而不斷發展。這些脈衝允許同時分析材料的整個電子結構，這是ICFO 團隊領導的突破。最近的一項研究表明，透過光-物質相互作用可以操縱石墨的導電性，揭示了光子電路和光學計算的潛在應用。光譜學的這項進展為研究材料中的多體動力學開闢了新的途徑，而多體動力學是現代物理學的關鍵挑戰。

ICFO研究人員在阿秒軟X射線光譜學方面取得的進展改變了材料分析，特別是在研究光物質相互作用和多體動力學方面，對未來的技術應用產生了深遠的影響。

X 射線吸收光譜是一種元素選擇和電子狀態敏感技術，是研究材料或物質成分最廣泛使用的分析技術之一。直到最近，這種方法還需要進行艱苦的波長掃描，而且無法提供超快的時間解析度來研究電子動力學。

在過去十年中，ICFO 的阿秒科學和超快光學小組在ICREA 教授Jens Biegert h 的領導下，將阿秒軟X 射線吸收光譜法發展成為一種無需掃描、具有阿秒時間分辨率的新分析工具。

阿秒軟X 射線光譜學的突破性進展

阿秒軟X 射線脈衝的持續時間在23 秒到165 秒之間，同時相干軟X 射線的頻寬在120 到600 eV 之間，可以一次檢測材料的整個電子結構。

即時檢測電子運動的時間解析度與記錄變化發生位置的相干頻寬相結合，為固態物理學和化學提供了一種全新的強大工具。

當光激發電子與相干光聲子強烈耦合時，將石墨暴露在強烈的超短中紅外線雷射脈衝下會誘導出高度導電的光物質混合相。透過使用阿秒軟X 射線脈衝研究激發電子態的壽命，就可以觀測到這種強光學驅動的多體狀態”。資料來源：©ICFO

最重要的基本過程之一是光與物質的相互作用，例如，了解植物如何獲得太陽能或太陽能電池如何將陽光轉化為電能。

材料科學的一個重要面向是用光改變材料或物質的量子態或功能。這種對材料多體動力學的研究解決了當代物理學中的核心難題，例如是什麼觸發了任何量子相變，或者材料的特性是如何從微觀相互作用中產生的。

ICFO 研究人員的最新研究

ICFO 研究人員Themis Sidiropoulos、Nicola Di Palo、Adam Summers、Stefano Severino、Maurizio Reduzzi 和Jens Biegert 最近在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上發表的一項研究報告中指出，他們透過操縱石墨的多體狀態，觀察到了光誘導石墨電導率的增加和控制。

創新的測量技術

研究人員使用波長為1850 奈米的載子包相穩定亞2 週期光脈衝來誘導光物質混合態。他們用持續時間為165 秒的阿秒軟X 射線脈衝在285 eV 的石墨碳K 邊探測電子動力學。阿秒軟X 射線吸收測量以阿秒間隔的泵浦-探針延遲步長詢問了材料的整個電子結構。波長為1850 nm 的泵浦在材料中誘導出一種高導電性狀態，這種狀態的存在完全是由於光物質的相互作用，因此稱為光物質混合體。

研究人員對這種條件很感興趣，因為它們有望使材料產生在其他平衡狀態下不存在的量子特性，而且這些量子態可以以高達數個太赫茲的光速進行切換。

然而，目前還不清楚這些狀態在材料內部的具體表現。因此，最近關於光誘導超導和其他拓樸相的報導中存在著許多猜測。ICFO 的研究人員首次使用軟X 射線阿秒脈衝來”觀察”材料內部的光物質態表現。

研究的第一作者Themis Sidiropoulos 指出：”對相干探測、阿秒級時間分辨率以及泵浦與探針之間的阿秒同步的要求是完全新穎的，也是阿秒科學所促成的此類新研究的基本要求。”

石墨中的電子動力學

實驗人員透過物理方法操縱樣品來觀察電子特性的變化，與扭轉電子學和扭轉雙層石墨烯不同，Sidiropoulos 解釋說：”我們不是操縱樣品，而是用強大的光脈衝光學激發材料，從而將電子激發到高能態，並觀察這些電子如何在材料中弛豫，不僅是單獨弛豫，而是作為一個整體系統弛豫，觀察這些電荷載子與晶格本身之間的相互作用”。

為了觀察石墨中的電子在強脈衝光照射後是如何弛豫的，他們利用寬闊的X射線光譜，首先觀察每個能態是如何單獨弛豫的，其次觀察整個電子系統是如何被激發的，從而觀察光、載子和不同能階的原子核之間的多體相互作用。透過觀察這個系統，他們發現所有電荷載子的能階都顯示材料的光導率在某一點上有所提高，顯示出超導階段的特徵或回憶。

觀測相干聲子

他們是如何看到這一點的呢？事實上，在先前發表的一篇文章中，他們觀察到了相干（非隨機）聲子的行為或固體內部原子的集體激發。由於石墨具有非常強（高能量）的聲子陣列，這些聲子可以有效地將大量能量從晶體中傳輸出去，而不會透過晶格的機械振動損壞材料。由於這些相干聲子像波浪一樣來回移動，固體中的電子似乎也會乘著這股波浪，產生研究團隊觀察到的人工超導現象。

影響和前景

這項研究結果表明，光子積體電路或光學計算領域的應用前景廣闊，可以利用光來操縱電子，或利用光來控制和操縱材料特性。正如延斯-比格特總結的那樣，”多體動力學是當代物理學的核心，也可以說是最具挑戰性的問題之一。我們在這裡取得的成果開闢了物理學的新領域，提供了即時研究和操縱物質相關相的新方法，這對現代技術至關重要”。

編譯來源：ScitechDaily