Navorsingspan, LR: Yuval Adiv, Yaniv Kurman, professor Ido Kaminer, Raphael Dahan en dr. Kangpeng Wang. Krediet: Technion – Israel Institute of Technology
'n Spatiotemporale Simfonie van Lig
Met behulp van 'n ultravinnige transmissie-elektronmikroskoop het navorsers van die Technion - Israel Institute of Technology vir die eerste keer die voortplanting van gekombineerde klank- en liggolwe in atoomdun materiale aangeteken.
Die eksperimente is uitgevoer in die Robert en Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory onder leiding van professor Ido Kaminer, van die Andrew en Erna Viterbi Fakulteit Elektriese en Rekenaaringenieurswese en die Solid State Institute.
Enkellaagmateriale, alternatiewelik bekend as 2D-materiale, is op sigself nuwe materiale, vaste stowwe wat uit 'n enkele laag atome bestaan. Grafeen, die eerste 2D-materiaal wat ontdek is, is vir die eerste keer in 2004 geïsoleer, 'n prestasie wat die 2010 Nobelprys ingepalm het. Nou, vir die eerste keer, wys Technion-wetenskaplikes hoe ligpulse binne-in hierdie materiale beweeg. Hul bevindings, "Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons," is gepubliseer in Wetenskap na groot belangstelling deur baie wetenskaplikes.
Illustrasie van 'n Klank-liggolf in 2D-materiale en die meting daarvan met vrye elektrone. Krediet: Technion – Israel Institute of Technology
Lig beweeg deur die ruimte teen 300,000 XNUMX km/s. Beweeg deur water of deur glas, dit vertraag met 'n fraksie. Maar wanneer deur sekere vaste stowwe met 'n paar lae beweeg word, vertraag lig amper duisendvoudig. Dit gebeur omdat die lig die atome van hierdie spesiale materiale laat vibreer om klankgolwe te skep (ook genoem fonone), en hierdie atoomklankgolwe skep lig wanneer hulle vibreer. Dus, die pols is eintlik 'n stewige kombinasie van klank en lig, wat "fonon-polariton" genoem word. Verlig, die materiaal "sing".
Die wetenskaplikes het ligpulse langs die rand van 'n 2D-materiaal geskyn, wat die hibriede klank-liggolwe in die materiaal vervaardig het. Hulle kon nie net hierdie golwe opneem nie, maar hulle het ook gevind dat die pulse spontaan kan versnel en vertraag. Verbasend genoeg het die golwe selfs in twee afsonderlike pulse verdeel, wat teen verskillende snelhede beweeg.
Die eksperiment is uitgevoer met behulp van 'n ultravinnige transmissie-elektronmikroskoop (UTEM). In teenstelling met optiese mikroskope en skandeerelektronmikroskope, gaan deeltjies hier deur die monster en word dan deur 'n detektor ontvang. Hierdie proses het die navorsers in staat gestel om die klank-liggolf in ongekende resolusie op te spoor, beide in ruimte en in tyd. Die tydresolusie is 50 femtosekondes – 50X10-15 sekondes – die aantal rame per sekonde is soortgelyk aan die aantal sekondes in 'n miljoen jaar.
"Die bastergolf beweeg binne die materiaal, so jy kan dit nie met 'n gewone optiese mikroskoop waarneem nie," het Kurman verduidelik. “Die meeste metings van lig in 2D-materiale is gebaseer op mikroskopietegnieke wat naaldagtige voorwerpe gebruik wat punt-vir-punt oor die oppervlak skandeer, maar elke so ’n naaldkontak versteur die beweging van die golf wat ons probeer afbeeld. Daarteenoor kan ons nuwe tegniek die beweging van lig beeld sonder om dit te versteur. Ons resultate kon nie met bestaande metodes bereik word nie. Dus, benewens ons wetenskaplike bevindinge, bied ons 'n voorheen ongesiene meettegniek aan wat relevant sal wees vir baie meer wetenskaplike ontdekkings."
Hierdie studie is gebore in die hoogtepunt van die COVID-19-epidemie. In die maande van inperking, met die universiteite gesluit, het Yaniv Kurman, 'n gegradueerde student in prof. Kaminer se laboratorium, by die huis gesit en die wiskundige berekeninge gemaak om te voorspel hoe ligpulse in 2D-materiaal moet optree en hoe dit gemeet kan word. Intussen het Raphael Dahan, 'n ander student in dieselfde laboratorium, besef hoe om infrarooi pulse in die groep se elektronmikroskoop te fokus en die nodige opgraderings gemaak om dit te bewerkstellig. Nadat die sluiting verby was, kon die groep Kurman se teorie bewys en selfs bykomende verskynsels openbaar wat hulle nie verwag het nie.
Alhoewel dit 'n fundamentele wetenskaplike studie is, verwag die wetenskaplikes dat dit veelvuldige navorsings- en bedryfstoepassings sal hê. "Ons kan die stelsel gebruik om verskillende fisiese verskynsels te bestudeer wat nie andersins toeganklik is nie," het prof. Kaminer gesê. “Ons beplan eksperimente wat ligkolke sal meet, eksperimente in Chaosteorie, en simulasies van verskynsels wat naby swart gate voorkom. Boonop kan ons bevindinge die vervaardiging van atoomdun veseloptiese "kabels" moontlik maak, wat binne elektriese stroombane geplaas kan word en data kan oordra sonder om die stelsel te oorverhit - 'n taak wat tans aansienlike uitdagings in die gesig staar as gevolg van stroombaanminimisering.
LR: Yaniv Kurman en professor Ido Kaminer. Krediet: Technion – Israel Institute of Technology
Die span se werk begin die navorsing van ligpulse binne 'n nuwe stel materiale, verbreed die vermoëns van elektronmikroskope en bevorder die moontlikheid van optiese kommunikasie deur atoomdun lae.
"Ek was verheug oor hierdie bevindinge," het professor Harald Giessen, van die Universiteit van Stuttgart, wat nie deel van hierdie navorsing was nie, gesê. "Dit bied 'n ware deurbraak in ultravinnige nano-optika, en verteenwoordig toonaangewende kuns en die voorrand van die wetenskaplike grens. Die waarneming in werklike ruimte en in reële tyd is pragtig en is, na my wete, nog nie voorheen gedemonstreer nie.”
Nog 'n prominente wetenskaplike wat nie by die studie betrokke was nie, John Joannopoulos van die Massachusetts Institute of Technology, het bygevoeg dat "Die sleutel in hierdie prestasie is in die slim ontwerp en ontwikkeling van 'n eksperimentele stelsel. Hierdie werk deur Ido Kaminer en sy groep en kollegas is 'n kritieke stap vorentoe. Dit is van groot belang, sowel wetenskaplik as tegnologies, en is van kritieke belang vir die veld.”
Prof. Kaminer is ook verbonde aan die Helen Diller Quantum Centre en die Russell Berrie Nanotechnology Institute. Die studie is gelei deur Ph.D. studente Yaniv Kurman en Raphael Dahan. Ander lede van die navorsingspan was dr. Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv en Ori Reinhardt. Die navorsing is gebaseer op 'n internasionale samewerking met die groepe van prof. James Edgar (Kansas State University), prof. Mathieu Kociak (Université Paris Sud), en prof. Frank Koppens (ICFO, The Barcelona Institute of Science and Technology).
Verwysing: “Spatiotemporal imaging of 2D polariton wave packet dynamics using free electronics” deur Yaniv Kurman, Raphael Dahan, Hanan Herzig Sheinfux, Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv, Ori Reinhardt, Luiz HG Tizei, Steffi Y. Woo, Jiahan Li, James H. Edgar, Mathieu Kociak, Frank HL Koppens en Ido Kaminer, 11 Junie 2021, Wetenskap.
DOI: 10.1126/science.abg9015
