Onderzoekers hebben voor het eerst licht-akoestische pulsen waargenomen in tweedimensionale materialen

Met behulp van een ultrasnelle elektronenmicroscoop hebben onderzoekers van het Technion – Israel Institute of Technology voor het eerst de gecombineerde voortplanting van geluids- en lichtgolven in atomair dunne materialen vastgelegd.

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

Enkellaagse materialen, ook wel tweedimensionale materialen genoemd, zijn zelf nieuwe materialen, vaste materialen die zijn samengesteld uit een enkele laag atomen. Grafeen, het eerste tweedimensionale materiaal dat werd ontdekt, werd voor het eerst geïsoleerd in 2004, een prestatie die de Nobelprijs won in 2010. Nu laten Technion-wetenschappers voor het eerst zien hoe lichtpulsen binnen deze materialen bewegen. Hun bevindingen, “Spatiotemporele beeldvorming van tweedimensionale Polariton Wavepacket-dynamica met behulp van vrije elektronen” zijn gepubliceerd in Wetenschap.

Licht beweegt door de ruimte met een snelheid van 300.000 km/s. Bewegend door het water of door het glas, vertraagt ​​het een fractie. Maar wanneer je door enkele van de weinige gelaagde vaste stoffen reist, vertraagt ​​​​het licht ongeveer duizend keer. Dit gebeurt omdat licht de atomen van deze speciale materialen laat trillen om geluidsgolven te vormen (ook wel fononen genoemd), en deze atomen geluidsgolven Creëer licht wanneer het trilt. De puls is dus eigenlijk een nauw mengsel van geluid en licht, een “fonon-polariton” genoemd. Verlicht, het materiaal “zingt”.

Wetenschappers werpen lichtpulsen langs de rand van een tweedimensionaal materiaal, waardoor in het materiaal het hybride geluid ontstaat.lichtgolven. Ze waren niet alleen in staat om deze golven op te nemen, maar ze ontdekten ook dat de pulsen automatisch kunnen versnellen en vertragen. Verrassend genoeg splitsten de golven zich in twee afzonderlijke pulsen, die met verschillende snelheden bewegen.

Het experiment werd uitgevoerd met behulp van een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM). In tegenstelling tot optische microscopen en scanning-elektronenmicroscopen, gaan de deeltjes hier door het monster en worden ze vervolgens opgevangen door de detector. Dankzij dit proces konden de onderzoekers de geluids- en lichtgolf met ongekende nauwkeurigheid volgen, zowel in ruimte als in tijd. De tijdresolutie is 50 femtoseconden – 50 x 10-15 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 normale optische microscoop”, legt Corman uit. “De meeste lichtmetingen in 2D-materialen zijn gebaseerd op microscopietechnieken die naaldachtige objecten gebruiken die het oppervlak punt voor punt scannen, maar elk dergelijk naaldcontact verstoort de beweging van de golf die we proberen af ​​​​te beelden. Onze nieuwe technologie daarentegen kan de beweging van licht in beeld brengen zonder het te verstoren.” Onze resultaten kunnen niet worden bereikt met de huidige methoden wetenschappelijke resultatenWe introduceren een meettechnologie die we nog niet eerder hebben gezien en die relevant zal zijn voor veel wetenschappelijke ontdekkingen. “

Deze studie werd geboren op het hoogtepunt van de COVID-19-epidemie. In de maanden van afsluiting met gesloten universiteiten, kondigde Yaniv Karman een afstuderen In het laboratorium van professor Kaminer zat hij thuis en voerde wiskundige berekeningen uit om te voorspellen hoe lichtpulsen zich zouden gedragen in tweedimensionale materialen en hoe ze zouden kunnen worden gemeten. Ondertussen realiseerde Raphael Dahan, een andere student in hetzelfde lab, zich hoe infraroodpulsen in een array-elektronenmicroscoop konden worden gefocust en voerde de nodige upgrades uit om dit mogelijk te maken. Toen de lockdown voorbij was, kon de groep de theorie van Korman bewijzen en zelfs aanvullende verschijnselen onthullen die ze niet hadden verwacht.

Hoewel dit een fundamenteel wetenschappelijk onderzoek is, verwachten wetenschappers dat het meerdere onderzoeks- en industriële toepassingen zal hebben. “We kunnen het systeem gebruiken om verschillende fysieke verschijnselen te bestuderen die anders niet toegankelijk zijn”, zegt professor Kaminer. “We plannen experimenten die lichtwervelingen meten, experimenten in chaostheorie en verschijnselen simuleren die zich voordoen in de buurt van zwarte gaten. Bovendien kunnen onze resultaten de productie mogelijk maken van atomaire dunne optische ‘kabels’, die in elektrische circuits kunnen worden geplaatst en zenden gegevens zonder pieken. Systeemtemperatuur – een taak die momenteel voor aanzienlijke uitdagingen staat als gevolg van circuitreductie. “

Teamwerk begint te zoeken naar Licht Pulsen binnen een nieuwe groep materialen, waardoor de mogelijkheden van elektronenmicroscopen worden uitgebreid en de mogelijkheid van optische communicatie door atomair dunne lagen wordt vergroot.

“Ik was blij met deze resultaten”, zei professor Harald Jessen van de Universiteit van Stuttgart, die geen deel uitmaakte van dit onderzoek. “Dit vertegenwoordigt een echte doorbraak in ultrasnelle nano-optica en staat voor state-of-the-art technologie en een voorsprong in de wetenschappelijke grens. Real-space en real-time monitoring is prachtig en is nog nooit eerder bewezen, voor de naar mijn beste weten.”

Een andere eminente wetenschapper die niet betrokken was bij de studie, John Guanopoulos van het Massachusetts Institute of Technology, voegde toe: “De sleutel tot deze prestatie is intelligent ontwerp en de ontwikkeling van een experimenteel systeem. Dit werk van Edo Kaminer, zijn team en collega’s is een cruciale stap voorwaarts. Het is van groot belang voor zowel het wetenschappelijke als het technologische niveau, het is van cruciaal belang op dit gebied. ”