探索光与物质之间的相互作用不仅仅是一项学术追求，它还是一种关键的相互作用，推动了众多领域的技术进步。
然而，研究称为光子的光粒子与材料原子之间的单独相互作用已被证明是极具挑战性的，因为它们的转瞬即逝，有时只发生在阿秒内——十亿分之一秒。
“材料的功能和性质完全取决于其成分，电子和原子核的综合相互作用，”物理学家兼阿秒物理学和超快光学教授Jens Biegert在一封电子邮件中解释道。“问题在于实时了解他们的行为，而不会遗漏任何东西。我们首次能够以必要的阿秒时间分辨率做到这一点。
在过去的十年中，由Biegert领导的西班牙光子科学研究所Attoscience和Ultrafast Optics小组的研究人员一直在开发一种称为阿秒X射线吸收光谱法的技术，以研究这些极小时间尺度上的光粒相互作用。
最近，有了这项技术，该团队表示，他们发现了一种新的物质相，当电子与强大的辐射相互作用时，这种物质在阿秒尺度上出现。
在他们发布在《自然通讯》上的研究中，研究人员用强大的红外辐射照射石墨样品，然后通过用X射线的阿秒脉冲探测样品来检查材料中电子的响应。
“石墨是第一个测试案例，因为它无处不在，而且它是一个真正难以破解的难题，因为这种材料在从阿秒到皮秒的几乎所有时间尺度上都具有动力学，”Biegert解释说。“很难确定不同的动态及其时间尺度。因此，尽管石墨是研究最充分的材料之一，但仍存在悬而未决的问题。
根据物质中电子的状态，它们以固定的概率吸收特定频率的光，因此通过测量穿过材料或从材料反射的电磁波的特性，可以找出其电子处于什么状态，而短波长的 X 射线辐射允许人们以非常高的空间分辨率研究材料。
“我们用强大的光脉冲对材料进行光学激发，从而将电子激发到高能态，并观察这些电子如何在材料内松弛，不仅单独，而且作为一个整体系统，观察这些电荷载流子与晶格本身之间的相互作用，”该研究的第一作者Themis Sidiropoulos在一份新闻稿中解释道。
该研究表明，改变红外光的强度会改变电子的性质，与辐射的功率相关。它们的行为与非相互作用电子行为的这种偏差表明材料进入了一个不同的阶段，该团队称之为光 - 物质混合，因为电子与光，其他电子和石墨的晶格经历了更强的相互作用。
新材料相最显着的特性之一是电子表现出比其原始状态低几个数量级的电阻，让人联想到超导行为。
超导性是一种非常理想的材料特性，许多人希望有朝一日能在电子学、经典和量子计算以及能源方面取得突破，尽管它在理论上尚未得到很好的理解，促使科学家严重依赖实验方法。
此外，该研究的结果可能在太阳能电池的发展中被证明是有价值的，其操作基于将太阳光转化为电流，以及光学计算领域，它使用光来操纵电子状态，以及其他技术领域。
“目前的研究解决了一些与twistronics新领域相关的基本问题，其中材料根据其特性进行组合以实现新功能，”Biegert说。“因此，这项研究是基础性的，但具有应用范围。一种可能的用途可能是用于高功率电子设备，其目的是减轻固有能量损失。
“这只是一个开始，这对我们来说是一个测试案例，”他总结道。“我们计划将我们的新方法应用于光收集、超快电子学、相变和超导性等基础和应用问题。
