طیف‌سنجی با هارمونیک بالا ساختار الکترونیکی ابررساناهای ولتاژ بالا را باز می‌کند

فشار بالا بسیاری از حالت های جدید ماده را برای ماده متراکم ایجاد کرده است و پدیده های فیزیکی و شیمیایی جدید هیجان انگیزی را آشکار می کند. در میان آنها، کشف ابررسانایی نزدیک به دمای اتاق (Tc ＞ 200 K) در هیدریدهای فشار بالا مانند H3S و LaH10 توجه و توجه زیادی را به خود جلب کرده است.
علیرغم افزایش دمای انتقال ابررسانا در ابررساناهای فشار بالا، ساختار الکترونیکی و رفتار دینامیکی فوق سریع در حالت‌های کوانتومی فشار بالا به دلیل فقدان کاوشگرهای موثر هنوز ناشناخته است و مکانیسم ابررسانایی آنها همچنان یک سوال باز است.
تولید هارمونیک بالاتر (HHG) فرآیند تبدیل لیزر فرودی به تابش منسجم قوی با فرکانس چند برابر لیزر است. به عنوان یک نماینده معمولی از اپتیک غیرخطی، HHG در جامدات از حرکت غیرخطی الکترون‌های درون و بین باند توسط برهمکنش لیزر-ماده با میدان قوی سرچشمه می‌گیرد. در نتیجه، طیف HHG به طور طبیعی حاوی اثر انگشتی از خواص اتمی و الکترونیکی در مواد است. با استفاده از چنین فرآیندهای دینامیکی غیرخطی و بدون اغتشاش، فرد می‌تواند به خواص درونی مواد نگاه کند.
اخیراً، گروه محقق شنگ منگ در مؤسسه فیزیک، آکادمی علوم چین/مرکز تحقیقات ملی فیزیک ماده متراکم، پکن، دینامیک فوق سریع HHG را در ابررسانای فشار بالا H3S با کمک اصول اولیه شامل زمان بررسی کرده است. تئوری تابعی چگالی با استفاده از روش و نرم افزار دینامیک مولکولی تابعی چگالی غیر آدیاباتیک توسعه یافته گروهی (TDAP). مشخص شده است که HHG در ابررساناهای فشار بالا وابستگی قوی به طول موج و همچنین ناهمسانگردی دارد (شکل 1)، که نشان می‌دهد فرآیند HHG به شدت به ساختار الکترونیکی بستگی دارد. تجزیه و تحلیل زمان-فرکانس HHG مکانیسم جنبشی پراکندگی درون باند هارمونیک های مرتبه پایین را تعیین می کند. بر این اساس، آنها با استفاده از طیف های HHG، ساختار پراکندگی نوار انرژی را در نزدیکی سطح فرمی بازسازی کردند (شکل 2). علاوه بر این، مشخص شد که یک مدولاسیون قوی از طیف HHG توسط فونون‌های منسجم وجود دارد که نشان‌دهنده حساسیت فرآیند HHG به جفت شدن الکتروآکوستیک است. آنها با استفاده از طیف HHG مدوله شده توسط فونون های همدوس، قدرت عنصری ماتریس جفت الکتروآکوستیک را در نزدیکی سطح فرمی بازسازی کردند (شکل 3). این مطالعه نشان می‌دهد که برهمکنش‌های چند جسمی (کوپلینگ الکتروآکوستیک) در مواد تأثیر قابل‌توجهی بر رفتار الکترون‌ها در نزدیکی سطح انرژی فرمی دارد. چنین نتایجی از مکانیسم فونونی ابررسانایی ولتاژ بالا پشتیبانی می کند و یک رویکرد تمام نوری برای بررسی ساختار الکترونیکی و جفت الکتروآکوستیک در حالت های کوانتومی ولتاژ بالا ارائه می دهد.
نتایج تحقیق مرتبط به این صورت خلاصه می شود که "طیف سنجی حالت جامد هارمونیک بالا برای کاوش ساختار باند تمام نوری طیف سنجی با هارمونیک بالا حالت جامد برای کاوش ساختار باند نوری حالت های کوانتومی فشار بالا" در مجموعه مقالات منتشر شده است. آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا (PNAS). شیچی هو، یک محقق فوق دکتری در مؤسسه فیزیک، آکادمی علوم چین (IPS)، اولین نویسنده این اثر بود و شنگ منگ، محقق IPS، نویسنده مربوطه بود. همچنین داکیانگ چن دانشجوی دکترا و لانلین دو دانشجوی دکترا در این کار مشارکت داشتند. این تحقیق توسط برنامه کلیدی تحقیق و توسعه وزارت علوم و فناوری، بنیاد ملی علوم طبیعی چین و پروژه آزمایشی آکادمی علوم چین پشتیبانی شد.

شکل 1. تولید هارمونیک بالا در ابررسانای ولتاژ بالا H3S.

شکل 2. بازسازی ساختار نوار انرژی در H3S با استفاده از طیف هارمونیک بالا.

شکل 3. بازسازی اطلاعات کوپلینگ الکتروآکوستیک در H3S با استفاده از طیف هارمونیک بالا.