Naukowcy po raz pierwszy zaobserwowali impulsy świetlno-akustyczne w materiałach dwuwymiarowych

Za pomocą ultraszybkiego mikroskopu elektronowego naukowcy z Technion – Israel Institute of Technology po raz pierwszy zarejestrowali łączną propagację fal dźwiękowych i świetlnych w materiałach o grubości atomowej.

Eksperymenty przeprowadzono w Laboratorium Dynamiki Wiązki Elektronowej im. Roberta i Ruth Magidów, kierowanym przez profesora Ido Kaminer z College of Electrical and Computer Engineering Andrew i Erna Viterbi oraz Solid State Institute.

Materiały jednowarstwowe, zwane również materiałami dwuwymiarowymi, same w sobie są nowymi materiałami, materiałami stałymi złożonymi z pojedynczej warstwy atomów. Grafen, pierwszy odkryty materiał dwuwymiarowy, został po raz pierwszy wyizolowany w 2004 r., dzięki czemu zdobył Nagrodę Nobla w 2010 r. Teraz po raz pierwszy naukowcy Technion pokazują, jak impulsy światła poruszają się w tych materiałach. Ich odkrycia, „Obrazowanie przestrzenno-czasowe dwuwymiarowej dynamiki pakietów polarnych z wykorzystaniem wolnych elektronów” zostały opublikowane w Nauka.

Światło porusza się w przestrzeni z prędkością 300 000 km/s. Poruszając się po wodzie lub przez szkło, zwalnia o ułamek. Ale podczas podróży przez niektóre z kilku warstwowych brył światło zwalnia około tysiąckrotnie. Dzieje się tak, ponieważ światło sprawia, że ​​atomy tych specjalnych materiałów wibrują, tworząc fale dźwiękowe (zwane również fononami), a te atomy fale dźwiękowe Stwórz światło, gdy wibruje. Tak więc impuls jest w rzeczywistości gęstą mieszanką dźwięku i światła, zwaną „polarytonem fononowym”. Świeci, materiał „śpiewa”.

Naukowcy rzucają impulsy świetlne wzdłuż krawędzi dwuwymiarowego materiału, wytwarzając w materiale dźwięk hybrydowy-fale świetlne. Nie tylko byli w stanie zarejestrować te fale, ale także odkryli, że impulsy mogą automatycznie przyspieszać i zwalniać. Co zaskakujące, fale podzieliły się na dwa oddzielne impulsy, poruszające się z różnymi prędkościami.

Doświadczenie przeprowadzono przy użyciu ultraszybkiego transmisyjnego mikroskopu elektronowego (UTEM). W przeciwieństwie do mikroskopów optycznych i skaningowych mikroskopów elektronowych, tutaj cząsteczki przechodzą przez próbkę, a następnie są odbierane przez detektor. Proces ten umożliwił naukowcom śledzenie fali dźwiękowej i świetlnej z niespotykaną dotąd dokładnością, zarówno w przestrzeni, jak i czasie. Rozdzielczość czasowa to 50 femtosekund – 50 x 10-15 sekund – Liczba klatek na sekundę jest zbliżona do liczby sekund na milion lat.

„Fala hybrydowa porusza się wewnątrz materiału, więc nie można jej obserwować za pomocą normalnego mikroskopu optycznego” – wyjaśnił Corman. „Większość pomiarów światła w materiałach 2D opiera się na technikach mikroskopowych, które wykorzystują obiekty przypominające igłę, które skanują powierzchnię punkt po punkcie, ale każdy taki kontakt igły zakłóca ruch fali, którą próbujemy zobrazować. W przeciwieństwie do naszej nowej technologii może zobrazować ruch światła bez zakłócania go”. Nasze wyniki nie mogą zostać osiągnięte przy użyciu obecnych metod Wyniki naukoweWprowadzamy technologię pomiarową, której wcześniej nie widzieliśmy i która będzie miała znaczenie dla wielu odkryć naukowych. „

To badanie narodziło się w szczytowym momencie epidemii COVID-19. W miesiącach blokady z zamkniętymi uniwersytetami Yaniv Karman ogłosił, że ukończyć W laboratorium profesora Kaminera siedział w domu i wykonywał obliczenia matematyczne, aby przewidzieć, jak impulsy świetlne będą się zachowywać w materiałach dwuwymiarowych i jak mogą być mierzone. Tymczasem Raphael Dahan, inny student z tego samego laboratorium, zdał sobie sprawę, jak skupiać impulsy podczerwone w mikroskopie elektronowym z macierzą i dokonał niezbędnych ulepszeń, aby tak się stało. Gdy blokada się skończyła, grupa była w stanie udowodnić teorię Kormana, a nawet ujawnić dodatkowe zjawiska, których się nie spodziewali.

Chociaż jest to podstawowe badanie naukowe, naukowcy spodziewają się, że będzie miało wiele zastosowań badawczych i przemysłowych. „Możemy wykorzystać system do badania różnych zjawisk fizycznych, do których nie można uzyskać dostępu w inny sposób” – powiedział prof. Kaminer. „Planujemy eksperymenty, które mierzą wiry światła, eksperymenty w teorii chaosu i symulują zjawiska zachodzące w pobliżu czarnych dziur. Co więcej, nasze wyniki mogą pozwolić na produkcję cienkich jak atom 'kable’ optyczne, które można umieszczać w obwodach elektrycznych i przesyłać dane bez skoków Temperatura systemu – zadanie, które obecnie stoi przed poważnymi wyzwaniami ze względu na redukcję obwodów.”

Praca zespołowa rozpoczyna poszukiwania Lekki Impulsy w nowej grupie materiałów, rozszerzające możliwości mikroskopów elektronowych i zwiększające możliwości komunikacji optycznej poprzez warstwy o grubości atomowej.

„Byłem zadowolony z tych wyników” – powiedział profesor Harald Jessen z Uniwersytetu w Stuttgarcie, który nie brał udziału w tych badaniach. „To prawdziwy przełom w ultraszybkiej nanooptyce i reprezentuje najnowocześniejszą technologię i wiodącą przewagę na polu naukowym. Monitorowanie w przestrzeni rzeczywistej i w czasie rzeczywistym jest piękne i nigdy wcześniej nie zostało udowodnione. najlepsza z mojej wiedzy. ” .

Inny wybitny naukowiec, który nie był zaangażowany w badania, John Guanopoulos z Massachusetts Institute of Technology, dodał: „Kluczem do tego osiągnięcia jest inteligentny projekt i rozwój systemu eksperymentalnego. Ta praca autorstwa Edo Kaminera, jego zespołu i współpracowników jest krytyczny krok naprzód, który ma ogromne znaczenie zarówno na poziomie naukowym, jak i technologicznym, ma kluczowe znaczenie w tej dziedzinie.”