Výzkumníci poprvé detekují světelně-akustické pulsy ve 2D materiálech

Prostoročasová symfonie světla

Pomocí ultrarychlého transmisního elektronového mikroskopu vědci z Technion – Israel Institute of Technology poprvé zaznamenali kombinované šíření zvukových a světelných vln v atomově tenkých materiálech.

Pokusy byly prováděny v laboratoři Robert and Ruth Magid Laboratory of Electron Beam Dynamics, vedené profesorem Ido Kaminerem, Andrew and Erna Viterbi College of Electrical and Computer Engineering a Solid State Institute.

Jednovrstvé materiály, známé také jako dvourozměrné materiály, jsou samy o sobě nové materiály, pevné materiály tvořené jednou vrstvou atomů. Grafen, první objevený dvourozměrný materiál, byl poprvé izolován v roce 2004, což je čin, který získal Nobelovu cenu za rok 2010. Nyní vědci Technionu poprvé ukazují, jak se v těchto materiálech pohybují světelné impulsy. Jejich nálezy „Spatiotemporální zobrazování dvourozměrné dynamiky Polariton Wavepacket pomocí volných elektronů“ jsou publikovány v Věda Po velkém zájmu mnoha učenců.

Ilustrace akustické světelné vlny ve 2D materiálech a její měření pomocí volných elektronů. Uznání: Technion – Israel Institute of Technology

Světlo se pohybuje vesmírem rychlostí 300 000 km / s. Pohybuje se vodou nebo sklem a zpomaluje svou rychlost o zlomek. Ale když cestujete několika málo vrstvami pevných látek, světlo se zpomaluje zhruba tisíckrát. Stává se to proto, že díky světlu atomy těchto speciálních materiálů vibrují a vytvářejí zvukové vlny (nazývané také fonony), a tyto atomové zvukové vlny vytvářejí světlo, když vibrují. Pulz je tedy vlastně pevně svázaná směs zvuku a světla, která se nazývá „phonon-polariton“. Svítí, materiál „zpívá“.

Vědci vrhali světelné impulsy podél okraje dvojrozměrného materiálu a vytvářeli v materiálu hybridní světelné a zvukové vlny. Nejen, že byli schopni tyto vlny zaznamenat, ale také zjistili, že pulzy se mohou automaticky zrychlovat a zpomalovat. Překvapivě se vlny rozdělily na dva samostatné pulsy, pohybující se různými rychlostmi.

Pokus byl proveden pomocí ultrarychlého transmisního elektronového mikroskopu (UTEM). Na rozdíl od optických mikroskopů a rastrovacích elektronových mikroskopů zde částice procházejí vzorkem a poté jsou přijímány detektorem. Tento proces umožnil vědcům sledovat zvukovou a světelnou vlnu s bezprecedentní přesností v prostoru i čase. Časová přesnost je 50 femtosekund – 50X10-15 sekund – Počet snímků za sekundu je podobný počtu sekund za milion let.

„Hybridní vlna se pohybuje uvnitř materiálu, takže ji nemůžete pozorovat běžným optickým mikroskopem,“ vysvětlil Corman. Většina měření světla v 2D materiálech se spoléhá na techniky mikroskopie, které používají jehlicovité objekty, které skenují povrch bod po bodu, ale každý kontakt jehly brání pohybu vlny, kterou se snažíme zobrazit. Naproti tomu naše nová technologie dokáže fotografovat pohyb světla, aniž by jej rušila. Naše výsledky nelze dosáhnout současnými metodami. Proto kromě našich vědeckých poznatků zavádíme dosud neviditelnou techniku ​​měření, která bude relevantní pro mnoho vědeckých objevů. “

Tato studie se zrodila na vrcholu epidemie COVID-19. V měsících odstavení, kdy univerzity byly odstaveny, seděl Yaniv Corman, postgraduální student v laboratoři profesora Kaminera, doma a provedl matematické výpočty, aby předpověděl, jak se světelné impulsy budou chovat v dvourozměrných materiálech a jak by mohly být měřeny. Mezitím Raphael Dahan, další student ve stejné laboratoři, si uvědomil, jak zaostřit infračervené pulsy v elektronovém mikroskopu pole a provedl nezbytná vylepšení, aby se to stalo. Jakmile uzamčení skončilo, skupina dokázala dokázat Kormanovu teorii a dokonce odhalit další jevy, které neočekávali.

I když se jedná o základní vědeckou studii, vědci očekávají, že bude mít více výzkumných a průmyslových aplikací. „Můžeme použít tento systém ke studiu různých fyzikálních jevů, které nelze získat jinak,“ řekl profesor Kaminer. „Plánujeme experimenty, které měří světelné víry, experimenty v teorii chaosu a simulují jevy, které se vyskytují v blízkosti černých děr. Naše nálezy navíc mohou umožnit výrobu atomicky tenkých optických ‚kabelů‘, které lze umístit do elektrických obvodů a přenášet data bez přehřátí systému – úkol, který v současné době čelí významným výzvám kvůli redukci okruhu. “

L-R: Yaniv Kerman a prof. Ido Kaminer. Uznání: Technion – Israel Institute of Technology

Práce týmu začíná hledat světelné pulsy v rámci nové řady materiálů, rozšiřuje možnosti elektronových mikroskopů a zvyšuje možnost optické komunikace prostřednictvím atomových tenkých vrstev.

„Tyto výsledky mě potěšily,“ řekl profesor Harald Jessen ze Stuttgartské univerzity, který se tohoto výzkumu nezúčastnil. „To představuje skutečný průlom v oblasti ultrarychlé nanooptiky a představuje.“ nejmodernější a náběžná hrana z vědecké hranice. Pozorování v reálném prostoru a v reálném čase je nádherné a pokud vím, nebylo dosud prokázáno. “

Další prominentní vědec, který se do studie nezapojil, John Guanopoulos z Massachusetts Institute of Technology, dodal: „Klíčem k tomuto úspěchu je inteligentní design a vývoj experimentálního systému. Tato práce Edo Kaminera, jeho skupiny a kolegů je důležitá krok vpřed. Má velký význam v obou ohledech. vědecký a technologický a v této oblasti má zásadní význam. “

Profesor Kaminer také patří do Helen Diller Quantum Center a Russell Berry Institute for Nanotechnology. Studii vedl Ph.D. Studenti Yaniv Karman a Raphael Dahan. Dalšími členy výzkumného týmu jsou Dr. Kangping Wang, Michael Yanai, Yuval Adev a Uri Reinhardt. Výzkum byl založen na mezinárodní spolupráci se skupinami profesora Jamese Edgara (Kansas State University), profesora Mattea Kociace (University of Southern Paris) a profesora Franka Coppinsa (Barcelona Institute of Science and Technology).

Reference: „Spatiotemporální zobrazování dynamiky paketů 2D vln pomocí volných elektronů“ od Yaniv Kormann, Raphael Dahan, Hanan Herzeg Chenfu, Kangping Wang, Michael Yana, Yuval Adev, Uri Reinhardt, Louise H.G. Tese, Stevie Wai Wu, Jiahan Lee, James Edgar Matthew Cusiak, Frank HL Coppins a Edo Kaminer, 11. června 2021, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abg9015