Met behulp van een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop, onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology hebben, Voor de eerste keer, registreerde de voortplanting van gecombineerde geluids- en lichtgolven in atomair dunne materialen.

De experimenten werden uitgevoerd in het Robert en Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory onder leiding van professor Ido Kaminer, van de Andrew en Erna Viterbi faculteit Electrical &Computer Engineering en het Solid State Institute.

Enkellaagse materialen, ook wel bekend als 2D-materialen, zijn op zichzelf nieuwe materialen, vaste stoffen bestaande uit een enkele laag atomen. grafeen, het eerste ontdekte 2D-materiaal, werd in 2004 voor het eerst geïsoleerd, een prestatie die de Nobelprijs 2010 opleverde. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, Wetenschappers van Technion laten zien hoe lichtpulsen in deze materialen bewegen. Hun bevindingen, "Spatiotemporele beeldvorming van 2D Polariton Wavepacket Dynamics met behulp van vrije elektronen, " zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Licht beweegt door de ruimte op 300, 000 km/s. Bewegen door water of door glas, het vertraagt ​​met een fractie. Maar als je door bepaalde vaste stoffen met een paar lagen gaat, licht vertraagt ​​bijna duizendvoudig. Dit gebeurt omdat het licht de atomen van deze speciale materialen laat trillen om geluidsgolven te creëren (ook wel fononen genoemd), en deze atomaire geluidsgolven creëren licht wanneer ze trillen. Dus, de puls is eigenlijk een strak gebonden combinatie van geluid en licht, genaamd "phonon-polariton." verlicht, het materiaal "zingt".

De wetenschappers schenen lichtpulsen langs de rand van een 2D-materiaal, produceren in het materiaal de hybride geluids-lichtgolven. Ze waren niet alleen in staat om deze golven vast te leggen, maar ze ontdekten ook dat de pulsen spontaan kunnen versnellen en vertragen. Verrassend genoeg, de golven splitsen zich zelfs in twee afzonderlijke pulsen, met verschillende snelheden bewegen.

Het experiment werd uitgevoerd met behulp van een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM). In tegenstelling tot optische microscopen en scanning elektronenmicroscopen, hier gaan deeltjes door het monster en worden vervolgens opgevangen door een detector. Dankzij dit proces konden de onderzoekers de geluidslichtgolf volgen in een ongekende resolutie, zowel in ruimte als in tijd. De tijdresolutie is 50 femtoseconde - 50X10-15 seconden - het aantal frames per seconde is vergelijkbaar met het aantal seconden in een miljoen jaar.

"De hybride golf beweegt in het materiaal, dus je kunt het niet waarnemen met een gewone optische microscoop, " legde Kurman uit. "De meeste metingen van licht in 2D-materialen zijn gebaseerd op microscopietechnieken die naaldachtige objecten gebruiken die punt voor punt over het oppervlak scannen, maar elk naaldcontact verstoort de beweging van de golf die we proberen voor te stellen. In tegenstelling tot, onze nieuwe techniek kan de beweging van licht in beeld brengen zonder het te verstoren. Onze resultaten hadden niet bereikt kunnen worden met bestaande methoden. Dus, naast onze wetenschappelijke bevindingen, we presenteren een voorheen ongeziene meettechniek die relevant zal zijn voor veel meer wetenschappelijke ontdekkingen."

Deze studie werd geboren op het hoogtepunt van de COVID-19-epidemie. In de maanden van lockdown, met de universiteiten gesloten, Yaniv Kurman, een afgestudeerde student in het laboratorium van Prof. Kaminer, zat thuis en maakte de wiskundige berekeningen die voorspelden hoe lichtpulsen zich zouden moeten gedragen in 2D-materialen en hoe ze zouden kunnen worden gemeten. In de tussentijd, Raphael Dahan, een andere student in hetzelfde lab, realiseerde zich hoe infraroodpulsen in de elektronenmicroscoop van de groep konden worden gefocust en voerde de nodige upgrades uit om dat te bereiken. Toen de lockdown voorbij was, de groep was in staat om de theorie van Kurman te bewijzen, en onthullen zelfs aanvullende verschijnselen die ze niet hadden verwacht.

Hoewel dit een fundamentele wetenschappelijke studie is, de wetenschappers verwachten dat het meerdere onderzoeks- en industriële toepassingen zal hebben. "We kunnen het systeem gebruiken om verschillende fysieke fenomenen te bestuderen die anders niet toegankelijk zijn, " zei Prof. Kaminer. "We plannen experimenten die wervelingen van licht zullen meten, experimenten in de chaostheorie, en simulaties van verschijnselen die zich voordoen in de buurt van zwarte gaten. Bovendien, onze bevindingen kunnen de productie van atomair dunne glasvezelkabels mogelijk maken, " die in elektrische circuits kan worden geplaatst en gegevens kan verzenden zonder het systeem te oververhitten - een taak die momenteel voor aanzienlijke uitdagingen staat vanwege de minimalisering van de circuits."

Het werk van het team start het onderzoek naar lichtpulsen in een nieuwe set materialen, verbreedt de mogelijkheden van elektronenmicroscopen, en bevordert de mogelijkheid van optische communicatie door atomair dunne lagen.

"Ik was opgewonden door deze bevindingen, " zei professor Harald Giessen, van de Universiteit van Stuttgart, die geen deel uitmaakte van dit onderzoek. "Dit is een echte doorbraak in ultrasnelle nano-optica, en vertegenwoordigt de stand van de techniek en de voorhoede van de wetenschappelijke grens. De waarneming in de echte ruimte en in realtime is prachtig en heeft, naar mijn weten, niet eerder aangetoond."

Een andere prominente wetenschapper die niet bij het onderzoek betrokken was, John Joannopoulos van het Massachusetts Institute of Technology, voegde eraan toe dat, "De sleutel in deze prestatie ligt in het slimme ontwerp en de ontwikkeling van een experimenteel systeem. Dit werk van Ido Kaminer en zijn groep en collega's is een cruciale stap voorwaarts. Het is zowel wetenschappelijk als technologisch van groot belang, en is van cruciaal belang voor het veld."