Οι ερευνητές ανιχνεύουν ελαφρούς-ακουστικούς παλμούς σε δισδιάστατα υλικά για πρώτη φορά

συμφωνία του φωτός χωροχρονική

Χρησιμοποιώντας ένα εξαιρετικά γρήγορο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης, ερευνητές από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας – Ισραήλ κατέγραψαν, για πρώτη φορά, τη συνδυασμένη διάδοση ηχητικών και φωτεινών κυμάτων σε ατομικά λεπτά υλικά.

Τα πειράματα διεξήχθησαν στο εργαστήριο Robert and Ruth Magid του Electron Beam Dynamics, με επικεφαλής τον καθηγητή Ido Kaminer, του Andrew and Erna Viterbi College of Electrical and Computer Engineering και του Solid State Institute.

Τα υλικά ενός στρώματος, επίσης γνωστά ως δισδιάστατα υλικά, είναι τα ίδια νέα υλικά, στερεά υλικά που αποτελούνται από ένα μόνο στρώμα ατόμων. Το Graphene, το πρώτο δισδιάστατο υλικό που ανακαλύφθηκε, απομονώθηκε για πρώτη φορά το 2004, ένα επίτευγμα που κέρδισε το βραβείο Νόμπελ του 2010. Τώρα, για πρώτη φορά, οι επιστήμονες της Technion δείχνουν πώς κινούνται οι παλμοί φωτός μέσα σε αυτά τα υλικά. Τα ευρήματά τους, «Η χωροχρονική απεικόνιση της δισδιάστατης δυναμικής Polariton Wavepacket χρησιμοποιώντας ελεύθερα ηλεκτρόνια» δημοσιεύονται στο Επιστήμη Μετά από μεγάλο ενδιαφέρον από πολλούς μελετητές.

Απεικόνιση ενός ακουστικού κύματος φωτός σε δισδιάστατα υλικά και τη μέτρησή του με τη χρήση ελεύθερων ηλεκτρονίων. Πίστωση: Technion – Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ισραήλ

Το φως κινείται στο διάστημα με ταχύτητα 300.000 km / s. Μετακινώντας το νερό ή μέσα από το ποτήρι, επιβραδύνεται από ένα κλάσμα. Αλλά όταν ταξιδεύετε μέσα από μερικά από τα λίγα στρώματα στερεών, το φως επιβραδύνεται περίπου χίλιες φορές. Αυτό συμβαίνει επειδή το φως κάνει τα άτομα αυτών των ειδικών υλικών να δονούνται για να δημιουργήσουν ηχητικά κύματα (που ονομάζονται επίσης φωνόνια) και αυτά τα ατομικά ηχητικά κύματα δημιουργούν φως όταν δονούνται. Έτσι, ο παλμός είναι στην πραγματικότητα ένα στενά συνδεδεμένο μείγμα ήχου και φωτός, που ονομάζεται «phonon-polariton». Αναμμένο, το υλικό “τραγουδά”.

Οι επιστήμονες έριξαν ελαφρούς παλμούς κατά μήκος της άκρης ενός δισδιάστατου υλικού, παράγοντας στο υλικό υβριδικό φως και ηχητικά κύματα. Όχι μόνο μπόρεσαν να καταγράψουν αυτά τα κύματα, αλλά διαπίστωσαν επίσης ότι οι παλμοί μπορούν να επιταχυνθούν και να επιβραδυνθούν αυτόματα. Παραδόξως, τα κύματα χωρίζονται σε δύο ξεχωριστούς παλμούς, κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ηλεκτρονίου μετάδοσης εξαιρετικά γρήγορου (UTEM). Σε αντίθεση με τα οπτικά μικροσκόπια και τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια σάρωσης, εδώ τα σωματίδια περνούν από το δείγμα και στη συνέχεια λαμβάνονται από τον ανιχνευτή. Αυτή η διαδικασία επέτρεψε στους ερευνητές να παρακολουθούν τον ήχο και το φως κύματος με πρωτοφανή ακρίβεια, τόσο στο χώρο όσο και στο χρόνο. Η ακρίβεια του χρόνου είναι 50 femtoseconds – 50X10-15 δευτερόλεπτα – Ο αριθμός των καρέ ανά δευτερόλεπτο είναι παρόμοιος με τον αριθμό των δευτερολέπτων σε ένα εκατομμύριο χρόνια.

“Το υβριδικό κύμα κινείται μέσα στο υλικό, οπότε δεν μπορείτε να το παρατηρήσετε με ένα κανονικό οπτικό μικροσκόπιο”, εξήγησε ο Corman. Οι περισσότερες μετρήσεις φωτός σε δισδιάστατα υλικά βασίζονται σε τεχνικές μικροσκοπίας που χρησιμοποιούν αντικείμενα που μοιάζουν με βελόνες που σαρώνουν την επιφάνεια από σημείο σε σημείο, αλλά κάθε επαφή βελόνας εμποδίζει την κίνηση του κύματος που προσπαθούμε να απεικονίσουμε. Αντίθετα, η νέα μας τεχνολογία μπορεί να φωτογραφίσει την κίνηση του φωτός χωρίς να την ενοχλεί. Τα αποτελέσματά μας δεν μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες μεθόδους. Επομένως, εκτός από τα επιστημονικά μας ευρήματα, εισάγουμε μια τεχνική μέτρησης που προηγουμένως δεν είδαμε και θα σχετίζεται με πολλές επιστημονικές ανακαλύψεις. “

Αυτή η μελέτη γεννήθηκε στο αποκορύφωμα της επιδημίας COVID-19. Τους μήνες κλεισίματος, με τα πανεπιστήμια να κλείνουν, ο Yaniv Corman, ένας απόφοιτος φοιτητής στο εργαστήριο του καθηγητή Kaminer, κάθισε στο σπίτι και πραγματοποίησε μαθηματικούς υπολογισμούς για να προβλέψει πώς θα έπρεπε να συμπεριφέρονται οι παλμοί φωτός σε δισδιάστατα υλικά και πώς θα μπορούσαν να μετρηθούν. Εν τω μεταξύ, ο Raphael Dahan, ένας άλλος μαθητής στο ίδιο εργαστήριο, συνειδητοποίησε πώς να εστιάσει τους παλμούς υπέρυθρων σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο συστοιχίας και έκανε τις απαραίτητες αναβαθμίσεις για να το κάνει να συμβεί. Μόλις τελείωσε το κλείδωμα, η ομάδα μπόρεσε να αποδείξει τη θεωρία του Korman και μάλιστα να αποκαλύψει επιπλέον φαινόμενα που δεν περίμεναν.

Ενώ αυτή είναι μια βασική επιστημονική μελέτη, οι επιστήμονες αναμένουν ότι θα έχει πολλές ερευνητικές και βιομηχανικές εφαρμογές. “Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το σύστημα για να μελετήσουμε διάφορα φυσικά φαινόμενα που δεν μπορούν να προσεγγιστούν διαφορετικά”, δήλωσε ο καθηγητής Kaminer. «Σχεδιάζουμε πειράματα που μετρούν τις ελαφριές στροβιλισμούς, πειράματα στη θεωρία του χάους και προσομοιώνουν φαινόμενα που συμβαίνουν κοντά σε μαύρες τρύπες. Επιπλέον, τα ευρήματά μας μπορεί να επιτρέψουν την παραγωγή ατομικά λεπτών οπτικών« καλωδίων », τα οποία μπορούν να τοποθετηθούν μέσα σε ηλεκτρικά κυκλώματα και να μεταδώσουν δεδομένα χωρίς υπερθέρμανση συστήματος – μια εργασία που επί του παρόντος αντιμετωπίζει σημαντικές προκλήσεις λόγω μείωσης κυκλώματος. “

L-R: Yaniv Kerman και Καθ. Ido Kaminer. Πίστωση: Technion – Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Ισραήλ

Η εργασία της ομάδας ξεκινά την αναζήτηση παλμών φωτός σε μια νέα σειρά υλικών, επεκτείνει τις δυνατότητες των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων και ενισχύει τη δυνατότητα οπτικής επικοινωνίας μέσω ατομικών λεπτών στρωμάτων.

“Ήμουν ευχαριστημένος με αυτά τα αποτελέσματα”, δήλωσε ο καθηγητής Harald Jessen, από το Πανεπιστήμιο της Στουτγκάρδης, ο οποίος δεν ήταν μέρος αυτής της έρευνας. «Αυτό αντιπροσωπεύει μια πραγματική ανακάλυψη στον τομέα των εξαιρετικά γρήγορων νανο-οπτικών και αντιπροσωπεύει υπερσύγχρονη και το προβάδισμα από τα επιστημονικά σύνορα. Η παρατήρηση σε πραγματικό χώρο και σε πραγματικό χρόνο είναι όμορφη και δεν έχει αποδειχθεί στο παρελθόν, όσο γνωρίζω. “

Ένας άλλος εξέχων επιστήμονας που δεν συμμετείχε στη μελέτη, ο Ιωάννης Γκουανόπουλος του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, πρόσθεσε: «Το κλειδί για αυτό το επίτευγμα είναι ο έξυπνος σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός πειραματικού συστήματος. Αυτό το έργο του Edo Kaminer, της ομάδας του και των συναδέλφων του είναι σημαντικό βήμα μπροστά. Έχει μεγάλο ενδιαφέρον και από τις δύο απόψεις. επιστημονικό και τεχνολογικό, και έχει ύψιστη σημασία σε αυτόν τον τομέα. “

Ο καθηγητής Kaminer ανήκει επίσης στο Helant Diller Quantum Center και στο Russell Berry Institute for Nanotechnology. Η μελέτη ήταν επικεφαλής του Ph.D. Μαθητές Yaniv Karman και Raphael Dahan. Άλλα μέλη της ερευνητικής ομάδας ήταν οι Dr. Kangping Wang, Michael Yanai, Yuval Adev και Uri Reinhardt. Η έρευνα βασίστηκε σε μια διεθνή συνεργασία με τις ομάδες του καθηγητή James Edgar (Κρατικό Πανεπιστήμιο του Κάνσας), του καθηγητή Matteo Kociac (Πανεπιστήμιο του Νότιου Παρισιού) και του καθηγητή Frank Coppins (Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Βαρκελώνης).

Παραπομπή: «Χωρική χρονική απεικόνιση δυναμικής πακέτου 2D με ελεύθερα ηλεκτρόνια» από τους 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 και Edo Kaminer, 11 Ιουνίου 2021, Επιστήμη.
DOI: 10.1126 / science.abg9015