Forskere observerer lyd-lys-impulser i 2D-materialer for første gang

Ved hjælp af et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop, forskere fra Technion—Israel Institute of Technology har, for første gang, registrerede udbredelsen af ​​kombinerede lyd- og lysbølger i atomart tynde materialer.

Eksperimenterne blev udført i Robert og Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory ledet af professor Ido Kaminer, ved Andrew og Erna Viterbi Fakultet for Elektro- og Computerteknik og Solid State Institute.

Enkeltlags materialer, alternativt kendt som 2D-materialer, er i sig selv nye materialer, faste stoffer bestående af et enkelt lag atomer. grafen, det første 2D-materiale opdaget, blev isoleret for første gang i 2004, en præstation, der høstede Nobelprisen i 2010. Nu, for første gang, Technion-forskere viser, hvordan lysimpulser bevæger sig inde i disse materialer. Deres resultater, "Spatiotemporal billeddannelse af 2D Polariton Wavepacket Dynamics ved hjælp af frie elektroner, " blev offentliggjort i Videnskab .

Lys bevæger sig gennem rummet ved 300, 000 km/s. Bevægelse gennem vand eller gennem glas, det bremses med en brøkdel. Men når man bevæger sig gennem visse få lag faste stoffer, lyset bremser næsten tusind gange. Dette sker, fordi lyset får atomerne i disse specielle materialer til at vibrere for at skabe lydbølger (også kaldet fononer), og disse atomare lydbølger skaber lys, når de vibrerer. Dermed, pulsen er faktisk en tæt bundet kombination af lyd og lys, kaldet "fonon-polariton". Lyser op, materialet "synger".

Forskerne skinnede lysimpulser langs kanten af ​​et 2D-materiale, producerer hybrid lyd-lysbølger i materialet. Ikke alene var de i stand til at optage disse bølger, men de fandt også ud af, at pulserne spontant kan fremskynde og bremse. Overraskende nok, bølgerne deler sig endda i to separate impulser, bevæger sig med forskellige hastigheder.

Eksperimentet blev udført ved hjælp af et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop (UTEM). I modsætning til optiske mikroskoper og scanningselektronmikroskoper, her passerer partikler gennem prøven og modtages derefter af en detektor. Denne proces gjorde det muligt for forskerne at spore lyd-lysbølgen i hidtil uset opløsning, både i rum og tid. Tidsopløsningen er 50 femtosekunder – 50X10-15 sekunder – antallet af billeder pr. sekund svarer til antallet af sekunder i en million år.

"Hybridbølgen bevæger sig inde i materialet, så du kan ikke observere det ved hjælp af et almindeligt optisk mikroskop, Kurman forklarede. "De fleste målinger af lys i 2D-materialer er baseret på mikroskopiteknikker, der bruger nålelignende objekter, der scanner over overfladen punkt for punkt, men enhver sådan nålekontakt forstyrrer bevægelsen af ​​den bølge, vi forsøger at afbilde. I modsætning, vores nye teknik kan afbilde lysets bevægelse uden at forstyrre det. Vores resultater kunne ikke være opnået med eksisterende metoder. Så, ud over vores videnskabelige resultater, vi præsenterer en hidtil uset måleteknik, der vil være relevant for mange flere videnskabelige opdagelser."

Denne undersøgelse blev født på højden af ​​COVID-19-epidemien. I månederne med lockdown, med universiteterne lukkede, Yaniv Kurman, en kandidatstuderende i prof. Kaminer's laboratorium, sad derhjemme og lavede de matematiske beregninger, der forudsagde, hvordan lysimpulser skulle opføre sig i 2D-materialer, og hvordan de kunne måles. I mellemtiden Raphael Dahan, en anden elev i samme laboratorium, indså, hvordan man fokuserede infrarøde impulser i gruppens elektronmikroskop og foretog de nødvendige opgraderinger for at opnå det. Da nedlukningen var forbi, gruppen var i stand til at bevise Kurmans teori, og endda afsløre yderligere fænomener, som de ikke havde forventet.

Selvom dette er et grundlæggende videnskabeligt studie, forskerne forventer, at det har flere forsknings- og industriapplikationer. "Vi kan bruge systemet til at studere forskellige fysiske fænomener, som ellers ikke er tilgængelige, " sagde prof. Kaminer. "Vi planlægger eksperimenter, der vil måle lyshvirvler, eksperimenter i kaosteori, og simuleringer af fænomener, der opstår nær sorte huller. I øvrigt, vores resultater kan tillade produktion af atomisk tynde fiberoptiske "kabler, "som kunne placeres i elektriske kredsløb og overføre data uden at overophede systemet - en opgave, der i øjeblikket står over for betydelige udfordringer på grund af kredsløbsminimering."

Holdets arbejde starter forskningen af ​​lysimpulser inde i et nyt sæt materialer, udvider elektronmikroskopernes muligheder, og fremmer muligheden for optisk kommunikation gennem atomisk tynde lag.

"Jeg var begejstret over disse resultater, sagde professor Harald Giessen, fra universitetet i Stuttgart, som ikke var en del af denne forskning. "Dette præsenterer et reelt gennembrud inden for ultrahurtig nano-optik, og repræsenterer state of the art og forkant med den videnskabelige grænse. Observationen i virkeligt rum og i realtid er smuk og har, mig bekendt, ikke blevet demonstreret før."

En anden fremtrædende videnskabsmand, der ikke er involveret i undersøgelsen, John Joannopoulos fra Massachusetts Institute of Technology, tilføjede, at "Nøglen i denne præstation ligger i det smarte design og udvikling af et eksperimentelt system. Dette arbejde af Ido Kaminer og hans gruppe og kolleger er et kritisk skridt fremad. Det er af stor interesse både videnskabeligt og teknologisk, og er af afgørende betydning for feltet."