Attosecond X-ray absorption fine-structure spectroscopy in condensed matter

Abstract

Attoscience aims to study electron dynamics in matter with unprecedented temporal resolution by using the shortest pulses generated on Earth. Currently, such resolution is only provided by sources that deliver attosecond pulses based on the high-harmonic generation (HHG) process. In this thesis we make use of the demonstration of the generation of isolated attosecond pulses in the soft X-ray (SXR) regime covering the entire water window (284 eV to 543 eV) with pulse durations shorter than 300 as. Such a source is used to explore its own development, the spectroscopic capabilities of the pulses as well as the spectroscopic differences from existing X-ray sources, and finally to exploit the potential of the provided extraordinary temporal resolution.

We report on the ability to spectrally tune our source 150 eV across the water window by controlling the pressure during the HHG process and the HHG target position with respect to the focal plane of the driving laser pulse. We associate the changes in pressure and target position to a phase matching change between the driving laser pulse of the HHG process and the generated SXR radiation that is mainly caused by a change in the ionisation fraction. These phase matching changes are also compared to a carrier-to-envelope phase changes of the driving laser field.

The attosecond SXR source is used for X-ray absorption fine structure (XAFS) spectroscopy. Our XAFS studies enable the simultaneous probing of extended XAFS (EXFAS) and near edge XAFS (NEXAFS) in graphite, providing element specificity and orbital sensitivity with identification of the sigma* and pi* orbitals in synchronicity with the material’s four characteristic bonding distances. This illustrates the potential capability of correlating electron dynamics with structural dynamics with attosecond resolution being able to resolve charge migration, electron-phonon coupling and structural transitions. Our XAFS investigations also reveal spectral changes in graphite and TiS2 as a consequence of the shorter attosecond pulse compared to the longer picosecond pulse that are typically used in synchrotron facilities. An extended theory is still required to link Auger electron spectroscopy, total electron yield and XAFS using synchrotron radiation with attoXAFS to decouple the different electron dynamics involved on each of the measurements.

Finally, the attosecond pulses are employed to interrogate charge dynamics with unprecedented temporal resolution inside a compound quasi-2D material, TiS2. By synchronising a 1.85 µm pump pulse with the probing attosecond SXR pulse, we observe that the shape of the X-ray absorption line changes from a Lorentzian distribution to a Fano-type distribution oscillating with twice the pump electric field frequency. The absorption changes appear due to an acquired dipole phase response of the photo-excited core-level electron induced by the consecutive arrival of the infrared pump pulse. This demonstrates that field-driven intra-band dynamics dominate over inter-band dynamics. SXR radiation also provides element specificity of attoXAFS which permits, in combination with theory, the visualisation of the flow of charge amongst the atoms inside the unit cell in real time. The combined spatio-temporal capabilities of attosecond transient XAFS may prove decisive to investigate the correlated motion of carriers in quantum materials such as phase-transitions and superconductors.

La Attociencia tiene como objetivo estudiar la dinámica de electrones en la materia con una resolución temporal sin precedentes mediante el uso de los pulsos más cortos generados en la Tierra. Actualmente, dicha resolución solo se puede lograr con fuentes de pulsos de attosegundos basados ¿¿en el proceso de generación de armónicos altos (HHG). En esta tesis hacemos uso de la demostración de la generación de pulsos aislados de attosegundos en el régimen de rayos X blandos (SXR) que cubre toda la ventana de agua (284 eV a 543 eV) con duraciones de pulso más cortos que 300 as. Dicha fuente se utiliza para explorar su propio desarrollo, las capacidades espectroscópicas de los pulsos, así como las diferencias espectroscópicas con las fuentes de rayos X existentes, y finalmente explotar el potencial de la resolución temporal extraordinaria proporcionada. Presentamos primero la capacidad de ajustar espectralmente nuestra fuente 150 eV a lo largo de la ventana de agua mediante el control de la presión del gas atómico involucrado en el proceso de HHG y de la posición del proceso de HHG con respecto al plano focal del láser impulsor de activación del proceso. Asociamos los cambios en la presión y en la posición a un cambio de coincidencia de fase entre el láser impulsor y la radiación SXR generada que es causada principalmente por un cambio en la fracción de ionización. Estos cambios de fase también se comparan con los cambios de fase entre la envolvente del campo y el campo (CEP). La fuente de SXR de attosegundo se utiliza para la espectroscopía de estructura fina de absorción de rayos X (XAFS). Nuestros estudios XAFS permiten el sondeo simultáneo de XAFS extendido (EXFAS) y XAFS cercano al borde (NEXAFS) en grafito, proporcionando especificidad de elemento y sensibilidad orbital con identificación de los orbitales sigma* y pi* en sincronicidad con las cuatro distancias de enlace características del material. Esto ilustra la capacidad potencial de correlacionar la dinámica de electrones con la dinámica estructural con resolución de attosegundos, pudiendo resolver la migración de carga, el acoplamiento electrón-fonón y las transiciones estructurales. Nuestras investigaciones XAFS también revelan cambios espectrales en grafito y TiS2 como consecuencia del pulso de atosegundo más corto en comparación con el pulso de picosegundo más largo que se utilizan normalmente en las instalaciones de sincrotrón. Todavía se requiere una teoría extendida para vincular la espectroscopia electrónica de Auger, el campo total de electrones (TEY) y XAFS utilizando radiación sincrotrón con attoXAFS para desacoplar las diferentes dinámicas electrónicas involucradas en cada una de las mediciones. Finalmente, los pulsos de attosegundo se emplean para analizar la dinámica de carga con una resolución temporal sin precedentes dentro de un material compuesto de cuasi-2D, TiS2. Al sincronizar un pulso de luz de bombeo de 1.85 µm con el pulso SXR de attosegundo, observamos que la línea de absorción de rayos X cambia de una distribución de Lorentzian a una distribución de tipo Fano que oscila con el doble de la frecuencia del campo eléctrico de bombeo. Los cambios de absorción aparecen debido a una respuesta de fase dipolar adquirida del electrón excitado por fotoionicaición por la llegada consecutiva del pulso de bombeo infrarrojo. Con esto se demuestra que las dinámicas dentro de la banda impulsadas por el campo dominan sobre la dinámica entre bandas. La radiación SXR también proporciona especificidad de elemento de attoXAFS que permite, en combinación con la teoría, la visualización del flujo de carga entre los átomos dentro de la celda unitaria en tiempo real. Las capacidades espaciotemporales combinadas del XAFS transitorio de attosegundo pueden ser decisivas para investigar el movimiento correlacionado de portadores en materiales cuánticos, como transiciones de fase y superconductores.