Med hjälp av ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop, forskare från Technion—Israel Institute of Technology har, för första gången, registrerade utbredningen av kombinerade ljud- och ljusvågor i atomärt tunna material.

Experimenten utfördes i Robert och Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory under ledning av professor Ido Kaminer, vid Andrew och Erna Viterbi fakulteten för elektro- och datateknik och Solid State Institute.

Enkelskiktsmaterial, alternativt känt som 2D-material, är i sig nya material, fasta ämnen som består av ett enda lager av atomer. grafen, det första 2D-materialet som upptäcktes, isolerades för första gången 2004, en prestation som fick Nobelpriset 2010. Nu, för första gången, Technion-forskare visar hur ljuspulser rör sig inuti dessa material. Deras fynd, "Spatiotemporal avbildning av 2D Polariton Wavepacket Dynamics med hjälp av fria elektroner, " publicerades i Vetenskap .

Ljus rör sig genom rymden vid 300, 000 km/s. Att röra sig genom vatten eller genom glas, den saktar ner med en bråkdel. Men när man rör sig genom vissa få lager fasta ämnen, ljus saktar ner nästan tusen gånger. Detta beror på att ljuset får atomerna i dessa speciella material att vibrera för att skapa ljudvågor (även kallade fononer), och dessa atomära ljudvågor skapar ljus när de vibrerar. Således, pulsen är faktiskt en hårt bunden kombination av ljud och ljus, kallas "fonon-polariton". Upplyst, materialet "sjunger".

Forskarna sken pulser av ljus längs kanten av ett 2D-material, producerar hybridljud-ljusvågor i materialet. Inte bara kunde de spela in dessa vågor, men de fann också att pulserna spontant kan snabba upp och sakta ner. Förvånande, vågorna delar sig till och med i två separata pulser, rör sig i olika hastigheter.

Experimentet utfördes med användning av ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop (UTEM). I motsats till optiska mikroskop och svepelektronmikroskop, här passerar partiklar genom provet och tas sedan emot av en detektor. Denna process gjorde det möjligt för forskarna att spåra ljud-ljusvågen i oöverträffad upplösning, både i rum och tid. Tidsupplösningen är 50 femtosekunder—50X10-15 sekunder—antalet bilder per sekund är liknande antalet sekunder på en miljon år.

"Hybridvågen rör sig inuti materialet, så du kan inte observera det med ett vanligt optiskt mikroskop, " Kurman förklarade. "De flesta mätningar av ljus i 2D-material är baserade på mikroskopitekniker som använder nålliknande föremål som skannar över ytan punkt för punkt, men varje sådan nålkontakt stör rörelsen av den våg vi försöker avbilda. I kontrast, vår nya teknik kan avbilda ljusets rörelse utan att störa den. Våra resultat hade inte kunnat uppnås med befintliga metoder. Så, utöver våra vetenskapliga rön, vi presenterar en tidigare osynlig mätteknik som kommer att vara relevant för många fler vetenskapliga upptäckter."

Denna studie föddes i höjden av covid-19-epidemin. Under månaderna av lockdown, med universiteten stängda, Yaniv Kurman, en doktorand i Prof. Kaminer's labb, satt hemma och gjorde de matematiska beräkningarna som förutspådde hur ljuspulser skulle bete sig i 2D-material och hur de kunde mätas. Under tiden, Raphael Dahan, en annan student i samma labb, insåg hur man fokuserar infraröda pulser i gruppens elektronmikroskop och gjorde de nödvändiga uppgraderingarna för att åstadkomma det. När låsningen väl var över, gruppen kunde bevisa Kurmans teori, och till och med avslöja ytterligare fenomen som de inte hade förväntat sig.

Även om detta är en grundläggande vetenskaplig studie, forskarna förväntar sig att det har flera forsknings- och industritillämpningar. "Vi kan använda systemet för att studera olika fysiska fenomen som annars inte är tillgängliga, " sa prof. Kaminer. "Vi planerar experiment som kommer att mäta virvlar av ljus, experiment i kaosteori, och simuleringar av fenomen som inträffar nära svarta hål. Dessutom, våra fynd kan tillåta produktion av atomärt tunna fiberoptiska "kablar, "som skulle kunna placeras i elektriska kretsar och överföra data utan att överhetta systemet - en uppgift som för närvarande står inför stora utmaningar på grund av kretsminimering."

Teamets arbete initierar forskning om ljuspulser inuti en ny uppsättning material, breddar kapaciteten hos elektronmikroskop, och främjar möjligheten till optisk kommunikation genom atomärt tunna lager.

"Jag blev förtjust över dessa fynd, sade professor Harald Giessen, från universitetet i Stuttgart, som inte var en del av denna forskning. "Detta ger ett verkligt genombrott inom ultrasnabb nanooptik, och representerar toppmoderna och framkanten av den vetenskapliga gränsen. Observationen i verklig rymd och i realtid är vacker och har, såvitt jag vet, inte visats tidigare."

En annan framstående forskare som inte är involverad i studien, John Joannopoulos från Massachusetts Institute of Technology, tillade att, "Nyckeln i denna prestation ligger i den smarta designen och utvecklingen av ett experimentellt system. Detta arbete av Ido Kaminer och hans grupp och kollegor är ett viktigt steg framåt. Det är av stort intresse både vetenskapligt och tekniskt, och är av avgörande betydelse för området."