Изследователите за първи път откриват светлинно-акустични импулси в 2D материали

симфония на светлината пространствено-времева

Използвайки свръхбърз електронен микроскоп, изследователите от Технион – Израелския технологичен институт за първи път регистрират комбинираното разпространение на звукови и светлинни вълни в атомно тънки материали.

Експериментите са проведени в лабораторията по динамика на електронните лъчи на Робърт и Рут Магид, ръководена от професор Идо Каминер от колежа по електротехника и компютърна техника „Андрю и Ерна Витерби“ и Института за твърдо състояние.

Еднослойните материали, известни още като двуизмерни материали, самите те са нови материали, твърди материали, съставени от един слой атоми. Графенът, първият открит двуизмерен материал, е изолиран за първи път през 2004 г., подвиг, спечелил Нобелова награда през 2010 г. Сега за първи път учените от Technion показват как светлинните импулси се движат в тези материали. Техните открития, „Пространствено-времево изобразяване на двумерна динамика на вълновия пакет на Поларитон, използвайки свободни електрони“ са публикувани в Наука След голям интерес от страна на много учени.

Илюстрация на акустична светлинна вълна в 2D материали и нейното измерване с помощта на свободни електрони. Кредит: Technion – Израелски технологичен институт

Светлината се движи през космоса със скорост 300 000 км / сек. Придвижвайки се през водата или през стъклото, тя се забавя с частица. Но когато пътувате през някои от малкото слоести твърди тела, светлината се забавя приблизително хилядократно. Това се случва, защото светлината кара атомите на тези специални материали да вибрират, за да създадат звукови вълни (наричани още фонони), а тези атомни звукови вълни създават светлина, когато вибрират. По този начин импулсът всъщност е плътно свързана смес от звук и светлина, наречена „фонон-поляритон“. Осветена, материалът „пее“.

Учените хвърлят светлинни импулси по ръба на двуизмерен материал, произвеждайки в материала хибридни светлинни и звукови вълни. Те не само успяха да запишат тези вълни, но и откриха, че импулсите могат автоматично да се ускоряват и забавят. Изненадващо, вълните се разделят на два отделни импулса, движещи се с различна скорост.

Експериментът е извършен с помощта на ултра бърз електронен микроскоп (UTEM). За разлика от оптичните микроскопи и сканиращите електронни микроскопи, тук частиците преминават през пробата и след това се приемат от детектора. Този процес позволи на изследователите да проследят звуковата и светлинната вълна с безпрецедентна точност, както в пространството, така и във времето. Точността на времето е 50 фемтосекунди – 50X10-15 секунди – Броят на кадрите в секунда е подобен на броя секунди за един милион години.

„Хибридната вълна се движи вътре в материала, така че не можете да го наблюдавате с нормален оптичен микроскоп“, обясни Корман. Повечето измервания на светлината в 2D материали разчитат на техники за микроскопия, които използват иглеподобни обекти, които сканират повърхността точка по точка, но всеки контакт с игла пречи на движението на вълната, която се опитваме да изобразим. За разлика от това, нашата нова технология може да снима движението на светлината, без да го нарушава. Нашите резултати не могат да бъдат постигнати с помощта на сегашните методи. Следователно, в допълнение към нашите научни открития, ние въвеждаме техника на измерване, невиждана досега и ще бъде от значение за много научни открития.

Това проучване е родено в разгара на епидемията от COVID-19. В месеците на заключване, при затваряне на университетите, Янив Корман, студент в лабораторията на професор Каминер, седеше у дома и извършваше математически изчисления, за да предскаже как светлинните импулси ще се държат в двуизмерни материали и как те могат да бъдат измерени. Междувременно Рафаел Дахан, друг студент в същата лаборатория, разбра как да фокусира инфрачервените импулси в електронен микроскоп и направи необходимите подобрения, за да се случи. След като блокирането приключи, групата успя да докаже теорията на Корман и дори да разкрие допълнителни явления, които не са очаквали.

Въпреки че това е основно научно изследване, учените очакват то да има множество изследвания и промишлени приложения. „Можем да използваме системата за изучаване на различни физически явления, които не могат да бъдат достъпни по друг начин“, каза професор Каминер. „Планираме експерименти, които измерват светлинните вихри, експерименти в теорията на хаоса и симулират явления, които се случват в близост до черни дупки. Освен това, нашите открития могат да позволят производството на атомно тънки оптични“ кабели „, които могат да бъдат поставени вътре в електрически вериги и да предават данни без прегряване на системата – задача, която в момента е изправена пред значителни предизвикателства поради намаляване на веригата. „

L-R: Янив Керман и проф. Идо Каминер. Кредит: Technion – Израелски технологичен институт

Работата на екипа започва търсенето на светлинни импулси в нов масив от материали, разширява възможностите на електронните микроскопи и подобрява възможността за оптична комуникация чрез тънки атомни слоеве.

„Бях доволен от тези резултати“, каза професор Харалд Йесен от университета в Щутгарт, който не беше част от това изследване. „Това представлява истински пробив в областта на свръхбързата нанооптика и представлява състояние на техниката и преден ръб от научната граница. Наблюдението в реално пространство и в реално време е красиво и досега не е доказано, доколкото знам. „

Друг изтъкнат учен, който не участва в изследването, Джон Гуанопулос от Масачузетския технологичен институт, добави: „Ключът към това постижение е интелигентният дизайн и разработването на експериментална система. Тази работа на Едо Каминер, неговата група и колеги е важна стъпка напред. Той представлява голям интерес и в двете отношения, научен и технологичен, и е от първостепенно значение в тази област. „

Професор Каминер също принадлежи към квантовия център на Хелън Дилър и Института по нанотехнологии Ръсел Бери. Изследването е ръководено от д-р. Студентите Янив Карман и Рафаел Дахан. Други членове на изследователския екип бяха д-р Кангпинг Уанг, Майкъл Янай, Ювал Адев и Ури Райнхард. Изследването се основава на международно сътрудничество с групите на професор Джеймс Едгар (Държавен университет в Канзас), професор Матео Кочиак (Университет в Южен Париж) и професор Франк Копинс (Институт за наука и технологии в Барселона).

Справка: „Пространствено-времево изобразяване на динамика на 2D вълнови пакети с използване на свободни електрони“ от Yaniv Kormann, Raphael Dahan, Hanan Herzeg Chenfu, Kangping Wang, Michael Yana, Yuval Adev, Uri Reinhardt, Louise HG Tese, Stevie Wai Wu, Jiahan Lee, James Edgar , Матю Кусиак, Франк Х. Л. Копинс и Едо Каминер, 11 юни 2021 г., Наука.
DOI: 10.1126 / science.abg9015