Výzkumný tým, LR: Yuval Adiv, Yaniv Kurman, profesor Ido Kaminer, Raphael Dahan a Dr. Kangpeng Wang. Kredit: Technion – Izraelský technologický institut
Časoprostorová symfonie světla
Pomocí ultrarychlého transmisního elektronového mikroskopu vědci z Technion – Israel Institute of Technology poprvé zaznamenali šíření kombinovaných zvukových a světelných vln v atomárně tenkých materiálech.
Experimenty byly provedeny v laboratoři kvantové dynamiky elektronového svazku Roberta a Ruth Magidové, kterou vedl profesor Ido Kaminer z Fakulty elektrotechniky a počítačového inženýrství Andrewa a Erny Viterbiových a Institutu pevných látek.
Jednovrstvé materiály, alternativně známé jako 2D materiály, jsou samy o sobě nové materiály, pevné látky sestávající z jediné vrstvy atomů. Grafen, první objevený 2D materiál, byl poprvé izolován v roce 2004, což je úspěch, který v roce 2010 získal Nobelovu cenu. Nyní vědci z Technionu poprvé ukazují, jak se pulzy světla pohybují uvnitř těchto materiálů. Jejich zjištění, „Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons“, byly publikovány v Věda po velkém zájmu mnoha vědců.
Ilustrace zvukové-světelné vlny ve 2D materiálech a její měření pomocí volných elektronů. Kredit: Technion – Izraelský technologický institut
Světlo se pohybuje vesmírem rychlostí 300,000 XNUMX km/s. Pohyb přes vodu nebo sklo se o zlomek zpomalí. Ale při pohybu přes určité několikavrstvé pevné látky se světlo zpomalí téměř tisíckrát. K tomu dochází, protože světlo nutí atomy těchto speciálních materiálů vibrovat a vytvářet zvukové vlny (také nazývané fonony) a tyto atomové zvukové vlny vytvářejí světlo, když vibrují. Puls je tedy ve skutečnosti pevně vázaná kombinace zvuku a světla, nazývaná „fonon-polariton“. Svítí, materiál „zpívá“.
Vědci vyzařovali pulsy světla podél okraje 2D materiálu a produkovaly v materiálu hybridní zvukové a světelné vlny. Nejen, že byli schopni zaznamenat tyto vlny, ale také zjistili, že pulsy se mohou spontánně zrychlit a zpomalit. Překvapivě se vlny dokonce rozdělily na dva samostatné pulzy, pohybující se různou rychlostí.
Experiment byl proveden pomocí ultrarychlého transmisního elektronového mikroskopu (UTEM). Na rozdíl od optických mikroskopů a rastrovacích elektronových mikroskopů zde částice procházejí vzorkem a poté jsou přijímány detektorem. Tento proces umožnil výzkumníkům sledovat vlnu zvukového světla v bezprecedentním rozlišení, a to jak v prostoru, tak v čase. Časové rozlišení je 50 femtosekund – 50X10-15 sekund – počet snímků za sekundu je podobný počtu sekund za milion let.
"Hybridní vlna se pohybuje uvnitř materiálu, takže ji nemůžete pozorovat pomocí běžného optického mikroskopu," vysvětlil Kurman. „Většina měření světla ve 2D materiálech je založena na mikroskopických technikách, které využívají jehlovité objekty, které skenují povrch bod po bodu, ale každý takový kontakt jehly narušuje pohyb vlny, kterou se snažíme zobrazit. Oproti tomu naše nová technika dokáže zobrazit pohyb světla, aniž by jej rušila. Naše výsledky by nebylo možné dosáhnout pomocí stávajících metod. Takže kromě našich vědeckých poznatků představujeme dosud nevídanou techniku měření, která bude relevantní pro mnoho dalších vědeckých objevů.“
Tato studie se zrodila v době vrcholící epidemie COVID-19. V měsících blokování, kdy byly univerzity zavřené, Yaniv Kurman, postgraduální student v laboratoři profesora Kaminera, seděl doma a prováděl matematické výpočty předpovídající, jak by se měly světelné pulsy chovat ve 2D materiálech a jak je lze měřit. Mezitím si Raphael Dahan, další student ve stejné laboratoři, uvědomil, jak zaostřit infračervené pulsy do skupinového elektronového mikroskopu, a provedl nezbytná vylepšení, aby toho dosáhl. Jakmile uzamčení skončilo, skupina byla schopna dokázat Kurmanovu teorii a dokonce odhalit další jevy, které neočekávali.
I když se jedná o základní vědeckou studii, vědci očekávají, že bude mít řadu výzkumných a průmyslových aplikací. "Systém můžeme použít ke studiu různých fyzikálních jevů, které nejsou jinak dostupné," řekl prof. Kaminer. „Plánujeme experimenty, které budou měřit víry světla, experimenty v teorii chaosu a simulace jevů, které se vyskytují v blízkosti černých děr. Naše zjištění navíc mohou umožnit výrobu atomicky tenkých „kabelů z optických vláken“, které by mohly být umístěny v elektrických obvodech a přenášet data bez přehřívání systému – což je úkol, který v současnosti čelí značným výzvám kvůli minimalizaci obvodů.
LR: Yaniv Kurman a profesor Ido Kaminer. Kredit: Technion – Izraelský technologický institut
Práce týmu iniciuje výzkum světelných pulzů uvnitř nové sady materiálů, rozšiřuje možnosti elektronových mikroskopů a podporuje možnost optické komunikace prostřednictvím atomově tenkých vrstev.
„Tyto nálezy mě nadchly,“ řekl profesor Harald Giessen z univerzity ve Stuttgartu, který nebyl součástí tohoto výzkumu. „Toto představuje skutečný průlom v ultrarychlé nanooptice a představuje nejmodernější a náběžná hrana vědecké hranice. Pozorování v reálném prostoru a v reálném čase je krásné a pokud je mi známo, dosud nebylo prokázáno.“
Další prominentní vědec, který se studie nezapojil, John Joannopoulos z Massachusettského technologického institutu dodal, že „Klíčem tohoto úspěchu je chytrý návrh a vývoj experimentálního systému. Tato práce Ida Kaminera a jeho skupiny a kolegů je zásadním krokem vpřed. Je to velký zájem jak vědecky, tak technologicky a má pro obor zásadní význam.“
Prof. Kaminer je také spojen s Helen Diller Quantum Center a Russell Berrie Nanotechnology Institute. Studii vedl Ph.D. studenti Yaniv Kurman a Raphael Dahan. Dalšími členy výzkumného týmu byli Dr. Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv a Ori Reinhardt. Výzkum byl založen na mezinárodní spolupráci se skupinami Prof. James Edgar (Kansas State University), Prof. Mathieu Kociak (Université Paris Sud) a Prof. Frank Koppens (ICFO, Barcelona Institute of Science and Technology).
Reference: “Spatiotemporal imaging of 2D polariton wave pack dynamics using free electrons” od 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 a Ido Kaminer, 11. června 2021, Věda.
DOI: 10.1126 / science.abg9015
