X射线揭示物质的一个新阶段

ICFO

西班牙巴塞罗那光子科学研究所（ICFO，https://www.icfo.eu/research-group/13/auo/home/437/）的Attoscience and Ultrafast Optics（https://www.icfo.eu/research-group/13/auo/home/437/）小组的研究人员发现了一种新的物质相，恰当地命名为“光物质混合物”，这是一项可能重塑我们对光如何与物质相互作用的理解的科学突破。发表在《自然通讯》（https://www.icfo.eu/research-group/13/auo/home/437/）上的这一发现不仅揭示了一种以前从未见过的材料状态，还为光伏、高功率电子等领域的潜在应用打开了大门。在混合材料中，材料的性能会根据脉冲光的强度而改变，在一种情况下，电阻会降至接近零。

这项技术的核心是阿秒x射线吸收光谱，它使ICFO研究团队能够研究电子在短至十亿分之一秒（阿秒）的时间尺度上暴露于强大的红外辐射时的行为。这是通过经典的泵浦探针技术实现的，其中红外激光脉冲将电子激发到高能态，随后x射线束在受控的时间延迟后探测激发的电子的能量分布。

领导该研究团队的物理学家、ICFO教授Jens Biegert说：“我们由此来测量高能态电子弛豫的速度。”通过在激发后的不同时间进行探测，他们可以完整地了解电子是如何以及何时回落到基态的。

研究中使用的主要材料是石墨，选择石墨是因为其复杂的特性。但Biegert表示，将其应用范围扩展到广泛的材料而采用的测量技术是通用的。唯一的要求是存在一个原子，其x射线吸收线被x射线探测器的光谱覆盖，这使得硅等元素成为探索的可行候选材料。

研究表明，通过改变红外光的强度，电子的性质与辐射功率相关。这种行为的偏差标志着物质进入了一个不同的阶段，称为“light-matter hybrid”。

Biegert解释道：“光的强度通过电子改变材料的性质，从而产生差异。”

在这种状态下，电子表现出比原始状态低几个数量级的电阻，类似于超导行为（https://spectrum.ieee.org/tag/superconductors）。虽然这项工作无法利用超导性，但它可能有助于更好地理解其中的机制。

这种轻物质混合态能持续多久是一个悬而未决的问题。但Beigert认为，有证据支持这样一种观点，即精心计时的脉冲序列可以显著延长时间尺度。这项技术可能为光子集成电路或光学计算的发展开辟道路。

Biegert建议：“人们可以设想将这种快速变化作为计算的开关。或者想象一个电子元件，其中不仅电子是活性成分，而且材料也会发生变化。这将使电子元件同时具有不同的功能成为可能。”

Biegert认为，这项研究也与光伏领域有关，在光伏领域，了解材料内部的确切相互作用对于提高转换效率至关重要（https://spectrum.ieee.org/tag/photovoltaics）。他说：“不过，光伏技术的一个问题是，我们并没有真正理解或控制材料内部的确切相互作用。”

例如，固体中光子的吸收导致从光场到原子的能量转移，这种转移发生在阿秒到皮秒甚至更长的时间内。利用这项技术，现在可以追踪光学激发材料后能量的重新分布。