מדענים משתמשים בספקטרוסקופיה גבוהה הרמונית כדי לפתוח מבנה אלקטרוני של מוליכים בלחץ גבוה

לחץ גבוה יצר מצבים חדשים רבים עבור חומר מעובה, וחושף תופעות פיזיקליות וכימיות חדשות. ביניהם, הגילוי של מוליכות-על כמעט בטמפרטורת החדר (Tc＞ 200 K) בהידרידים בלחץ גבוה כגון H3S ו-LaH10 משך את תשומת לבם של המדענים.
טמפרטורת המעבר המוליכים של מוליכים בלחץ גבוה גדלה, אך מנגנון המוליכות נותר שאלה פתוחה בשל היעדר בדיקות יעילות והמבנה האלקטרוני הלא ידוע והתנהגות דינמית מהירה במיוחד במצבי קוואנטים בלחץ גבוה.
יצירת הרמונית גבוהה יותר (HHG) הוא תהליך של המרת לייזר תקף לקרינה קוהרנטית חזקה בתדר הלייזר פי כמה. כנציג טיפוסי של אופטיקה לא ליניארית, HHG במוצקים מקורו בהנעה לא ליניארית של אלקטרונים תוך-ובין-פסיים על ידי אינטראקציית לייזר-חומר בשדה חזק. כתוצאה מכך, ספקטרות HHG מכילות באופן טבעי טביעת אצבע של התכונות האטומיות והאלקטרוניות בחומר. תוך ניצול תהליך דינמי לא ליניארי ולא מטריד זה, מדענים מסוגלים להציץ לתוך הטבע הפנימי של חומרים.
לאחרונה, הצוות של שנג מנג, חוקר במכון לפיזיקה של האקדמיה הסינית למדעים/מרכז המחקר הלאומי לפיזיקת חומר מעובה בבייג'ין, חקר את הדינמיקה האולטרה-מהירה של HHG במוליך-העל בלחץ גבוה H3S בעזרת תחילה- עקרונות תיאוריית צפיפות-פונקציונלית המכילה זמן ושימוש בשיטת דינמיקה מולקולרית מולקולרית שאינה מכילה-זמן שאינה אדיאבטית ותוכנה שפותחה בקבוצה. נמצא ש-HHG במוליכי-על בלחץ גבוה תלוי מאוד באורך גל ואנזיטרופי, מה שמצביע על כך שתהליך HHG תלוי מאוד במבנה האלקטרוני. ניתוח הזמן-תדר של HHG נחקר ונקבע המנגנון של דינמיקת פיזור בתוך הלהקה של הרמוניות מסדר נמוך. על בסיס זה, באמצעות ספקטרום HHG, נלמד לשחזר את מבנה פיזור פס האנרגיה ליד פני השטח של פרמי. בנוסף, נמצא שיש אפנון חזק של ספקטרום HHG על ידי פונונים קוהרנטיים, המעידים על הרגישות של תהליך HHG לצימוד אלקטרו-אקוסטי. באמצעות ספקטרום HHG המאופנן על ידי פונונים קוהרנטיים, המחקר משחזר עוד יותר את חוזק היסודות של מטריצת הצימוד האלקטרו-אקוסטי ליד פני השטח של פרמי. המחקר מגלה שלאינטראקציות של הרבה גוף (צימוד אלקטרו-אקוסטי) בחומרים יש השפעה משמעותית על התנהגות אלקטרונים בסמוך לרמת האנרגיה של פרמי. זה תומך במנגנון מתווך פונון עבור מוליכות-על במתח גבוה ומספק גישה אופטית לבדיקה של המבנה האלקטרוני והצימוד האלקטרו-אקוסטי במצבי מתח גבוה.
תוצאות המחקר הקשורות מתפרסמות כספקטרוסקופיה הרמונית גבוהה במצב מוצק עבור חיטוט מבנה פס אופטי של מצבי קוואנטים בלחץ גבוה, שפורסמה ב-Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). עבודת המחקר נתמכה על ידי תוכנית המפתח הלאומית למחקר ופיתוח של סין, הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין, ופרויקט הפיילוט האסטרטגי של האקדמיה הסינית למדעים.