Các nhà khoa học sử dụng quang phổ sóng hài cao để mở khóa cấu trúc điện tử của chất siêu dẫn áp suất cao

Áp suất cao đã tạo ra nhiều trạng thái mới cho vật chất ngưng tụ, làm bộc lộ những hiện tượng vật lý, hóa học mới. Trong số đó, việc phát hiện ra chất siêu dẫn ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng (Tc＞ 200 K) ở các hydrua áp suất cao như H3S và LaH10 đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.
Nhiệt độ chuyển tiếp siêu dẫn của chất siêu dẫn áp suất cao ngày càng tăng, nhưng cơ chế siêu dẫn vẫn là một câu hỏi mở do thiếu đầu dò hiệu quả cũng như cấu trúc điện tử chưa biết và hành vi động học cực nhanh ở trạng thái lượng tử áp suất cao.
Tạo sóng hài cao hơn (HHG) là quá trình chuyển đổi tia laser tới thành bức xạ kết hợp mạnh ở tần số gấp nhiều lần tần số laser. Là một đại diện điển hình của quang học phi tuyến, HHG trong chất rắn bắt nguồn từ sự truyền động phi tuyến của các electron trong và xen kẽ bằng tương tác vật chất-laser trường mạnh. Kết quả là quang phổ HHG tự nhiên chứa dấu vết của các tính chất nguyên tử và điện tử trong vật liệu. Bằng cách sử dụng quá trình động học phi tuyến tính, không nhiễu loạn này, các nhà khoa học có thể nhìn sâu vào bản chất bên trong của vật liệu.
Gần đây, nhóm của Sheng Meng, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc/Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia về Vật lý Vật chất Ngưng tụ ở Bắc Kinh, đã khám phá động lực học HHG cực nhanh trong chất siêu dẫn áp suất cao H3S với sự trợ giúp của thiết bị đầu tiên- nguyên tắc lý thuyết hàm mật độ hàm chứa thời gian và việc sử dụng phương pháp và phần mềm động lực phân tử mật độ hàm chứa thời gian không đoạn nhiệt được phát triển trong nhóm. Người ta nhận thấy rằng HHG trong chất siêu dẫn áp suất cao phụ thuộc rất nhiều vào bước sóng và tính dị hướng, cho thấy quá trình HHG phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc điện tử. Phân tích tần số thời gian của HHG được nghiên cứu và xác định cơ chế động học tán xạ trong dải của sóng hài bậc thấp. Trên cơ sở đó sử dụng phổ HHG nghiên cứu tái tạo cấu trúc phân tán dải năng lượng gần bề mặt Fermi. Ngoài ra, người ta còn phát hiện ra rằng có sự biến điệu mạnh mẽ của phổ HHG bởi các phonon kết hợp, cho thấy độ nhạy của quá trình HHG đối với sự ghép điện âm. Sử dụng phổ HHG được điều chế bởi các phonon kết hợp, nghiên cứu tiếp tục tái tạo lại cường độ nguyên tố ma trận ghép điện âm gần bề mặt Fermi. Nghiên cứu tiết lộ rằng các tương tác nhiều vật thể (sự ghép nối điện âm) trong vật liệu có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của các electron ở gần mức năng lượng Fermi. Điều này hỗ trợ cơ chế qua trung gian phonon cho tính siêu dẫn điện áp cao và cung cấp một phương pháp tiếp cận toàn quang học để thăm dò cấu trúc điện tử và khớp nối điện âm ở trạng thái lượng tử điện áp cao.
Các kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố dưới dạng Quang phổ hài hòa cao trạng thái rắn để thăm dò cấu trúc dải quang học của các trạng thái lượng tử áp suất cao, được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (PNAS). Công trình nghiên cứu được hỗ trợ bởi Chương trình nghiên cứu và phát triển trọng điểm quốc gia của Trung Quốc, Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia Trung Quốc và Dự án thí điểm chiến lược của Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc.