Naučnici koriste spektroskopiju visokog harmonija da otključaju elektronsku strukturu superprovodnika visokog pritiska

Visok pritisak je stvorio mnoga nova stanja za kondenzovanu materiju, otkrivajući nove fizičke i hemijske fenomene. Među njima, otkriće supravodljivosti pri sobnoj temperaturi (Tc＞ 200 K) u hidridima pod visokim pritiskom kao što su H3S i LaH10 privuklo je pažnju naučnika.
Temperatura supravodljivog prijelaza superprovodnika visokog pritiska raste, ali mehanizam supravodljivosti ostaje otvoreno pitanje zbog nedostatka efikasnih sondi i nepoznate elektronske strukture i ultrabrzog dinamičkog ponašanja u kvantnim stanjima visokog pritiska.
Generacija viših harmonika (HHG) je proces pretvaranja upadnog lasera u jako koherentno zračenje na nekoliko puta većoj frekvenciji lasera. Kao tipičan predstavnik nelinearne optike, HHG u čvrstim tijelima potiče od nelinearnog pokretanja unutar- i međupojasnih elektrona interakcijom lasera i materije jakog polja. Kao rezultat, HHG spektri prirodno sadrže otisak prsta atomskih i elektronskih svojstava u materijalu. Koristeći ovaj nelinearni, neperturbativni dinamički proces, naučnici su u mogućnosti da zavire u unutrašnju prirodu materijala.
Nedavno je tim Sheng Menga, istraživača na Institutu za fiziku Kineske akademije nauka/Nacionalnog istraživačkog centra za fiziku kondenzirane materije u Pekingu, istražio ultrabrzu HHG dinamiku u superprovodniku visokog pritiska H3S uz pomoć prvog- principi teorije funkcionalne gustoće koja sadrži vrijeme i korištenje neadijabatske metode molekularne dinamike funkcionalne gustine koja sadrži vrijeme i softvera razvijenog u grupi. Utvrđeno je da je HHG u supravodičima visokog pritiska snažno ovisan o talasnoj dužini i anizotropan, što ukazuje da HHG proces snažno zavisi od elektronske strukture. Istražuje se vremensko-frekvencijska analiza HHG i utvrđuje mehanizam unutarpojasne dinamike rasejanja harmonika nižeg reda. Na osnovu toga, koristeći HHG spektre, proučava se rekonstrukcija disperzione strukture energetskog pojasa u blizini Fermijeve površine. Osim toga, utvrđeno je da postoji jaka modulacija HHG spektra koherentnim fononima, što ukazuje na osjetljivost HHG procesa na elektroakustičko spajanje. Koristeći HHG spektar moduliran koherentnim fononima, studija dalje rekonstruira elementarnu snagu matrice elektroakustičkog spajanja u blizini Fermijeve površine. Studija otkriva da interakcije više tijela (elektroakustično spajanje) u materijalima imaju značajan utjecaj na ponašanje elektrona u blizini Fermijevog energetskog nivoa. Ovo podržava fononski posredovani mehanizam za visokonaponsku supravodljivost i pruža potpuno optički pristup za ispitivanje elektronske strukture i elektroakustičke sprege u visokonaponskim kvantnim stanjima.
Srodni rezultati istraživanja objavljeni su kao Solid-state high harmonic spectroscopy za ispitivanje potpuno optičkih trakastih kvantnih stanja visokog pritiska, objavljeno u Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Istraživački rad je podržan od strane Nacionalnog ključnog istraživačkog i razvojnog programa Kine, Nacionalne fondacije za prirodne nauke Kine i Strateškog pilot projekta Kineske akademije nauka.