Équipe de recherche, LR : Yuval Adiv, Yaniv Kurman, Professeur Ido Kaminer, Raphael Dahan et Dr Kangpeng Wang. Crédit : Technion - Institut israélien de technologie
Une symphonie spatio-temporelle de lumière
À l'aide d'un microscope électronique à transmission ultra-rapide, des chercheurs du Technion - Institut israélien de technologie ont, pour la première fois, enregistré la propagation d'ondes sonores et lumineuses combinées dans des matériaux atomiquement minces.
Les expériences ont été réalisées dans le laboratoire Robert et Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory dirigé par le professeur Ido Kaminer, de la faculté Andrew et Erna Viterbi de génie électrique et informatique et du Solid State Institute.
Les matériaux monocouches, également appelés matériaux 2D, sont en eux-mêmes de nouveaux matériaux, des solides constitués d'une seule couche d'atomes. Le graphène, le premier matériau 2D découvert, a été isolé pour la première fois en 2004, une réalisation qui lui a valu le prix Nobel 2010. Maintenant, pour la première fois, les scientifiques du Technion montrent comment les impulsions lumineuses se déplacent à l'intérieur de ces matériaux. Leurs découvertes, "Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons", ont été publiées dans Science suite au grand intérêt de nombreux scientifiques.
Illustration d'une onde Son-Lumière dans des matériaux 2D et sa mesure à l'aide d'électrons libres. Crédit : Technion - Institut israélien de technologie
La lumière se déplace dans l'espace à 300,000 XNUMX km/s. Se déplaçant à travers l'eau ou à travers le verre, il ralentit d'une fraction. Mais lorsqu'elle se déplace à travers certains solides à quelques couches, la lumière ralentit presque mille fois. Cela se produit parce que la lumière fait vibrer les atomes de ces matériaux spéciaux pour créer des ondes sonores (également appelées phonons), et ces ondes sonores atomiques créent de la lumière lorsqu'elles vibrent. Ainsi, l'impulsion est en fait une combinaison étroitement liée de son et de lumière, appelée "phonon-polariton". Allumée, la matière « chante ».
Les scientifiques ont projeté des impulsions de lumière le long du bord d'un matériau 2D, produisant dans le matériau des ondes hybrides son-lumière. Non seulement ils ont pu enregistrer ces ondes, mais ils ont également découvert que les impulsions peuvent accélérer et ralentir spontanément. Étonnamment, les vagues se sont même divisées en deux impulsions distinctes, se déplaçant à des vitesses différentes.
L'expérience a été réalisée à l'aide d'un microscope électronique à transmission ultra-rapide (UTEM). Contrairement aux microscopes optiques et aux microscopes électroniques à balayage, ici les particules traversent l'échantillon puis sont reçues par un détecteur. Ce processus a permis aux chercheurs de suivre l'onde son-lumière avec une résolution sans précédent, à la fois dans l'espace et dans le temps. La résolution temporelle est de 50 femtosecondes – 50X10-15 secondes – le nombre d'images par seconde est similaire au nombre de secondes dans un million d'années.
"L'onde hybride se déplace à l'intérieur du matériau, vous ne pouvez donc pas l'observer à l'aide d'un microscope optique ordinaire", a expliqué Kurman. "La plupart des mesures de la lumière dans les matériaux 2D sont basées sur des techniques de microscopie qui utilisent des objets en forme d'aiguille qui balayent la surface point par point, mais chaque contact avec une aiguille perturbe le mouvement de l'onde que nous essayons d'imager. En revanche, notre nouvelle technique permet d'imager le mouvement de la lumière sans le perturber. Nos résultats n'auraient pas pu être obtenus avec les méthodes existantes. Ainsi, en plus de nos découvertes scientifiques, nous présentons une technique de mesure inédite qui sera pertinente pour de nombreuses autres découvertes scientifiques.
Cette étude est née au plus fort de l'épidémie de COVID-19. Pendant les mois de confinement, avec la fermeture des universités, Yaniv Kurman, un étudiant diplômé du laboratoire du professeur Kaminer, s'est assis à la maison et a fait les calculs mathématiques pour prédire comment les impulsions lumineuses devraient se comporter dans les matériaux 2D et comment elles pourraient être mesurées. Pendant ce temps, Raphael Dahan, un autre étudiant du même laboratoire, a réalisé comment focaliser les impulsions infrarouges dans le microscope électronique du groupe et a effectué les mises à niveau nécessaires pour y parvenir. Une fois le confinement terminé, le groupe a pu prouver la théorie de Kurman et même révéler des phénomènes supplémentaires auxquels ils ne s'attendaient pas.
Bien qu'il s'agisse d'une étude scientifique fondamentale, les scientifiques s'attendent à ce qu'elle ait de multiples applications dans la recherche et l'industrie. "Nous pouvons utiliser le système pour étudier différents phénomènes physiques qui ne sont pas accessibles autrement", a déclaré le professeur Kaminer. «Nous prévoyons des expériences qui mesureront les tourbillons de lumière, des expériences sur la théorie du chaos et des simulations de phénomènes qui se produisent à proximité des trous noirs. De plus, nos découvertes pourraient permettre la production de «câbles» à fibres optiques d'une finesse atomique, qui pourraient être placés dans des circuits électriques et transmettre des données sans surchauffer le système - une tâche qui fait actuellement face à des défis considérables en raison de la minimisation des circuits.
LR : Yaniv Kurman et le professeur Ido Kaminer. Crédit : Technion - Institut israélien de technologie
Les travaux de l'équipe initient la recherche d'impulsions lumineuses à l'intérieur d'un nouvel ensemble de matériaux, élargissent les capacités des microscopes électroniques et favorisent la possibilité de communication optique à travers des couches atomiquement minces.
"J'ai été ravi par ces découvertes", a déclaré le professeur Harald Giessen, de l'Université de Stuttgart, qui ne faisait pas partie de cette recherche. « Cela représente une véritable avancée dans la nano-optique ultra-rapide, et représente l'état de l'art et de la Avant-garde de la frontière scientifique. L'observation dans l'espace réel et en temps réel est belle et n'a, à ma connaissance, jamais été démontrée auparavant.
Un autre scientifique éminent non impliqué dans l'étude, John Joannopoulos du Massachusetts Institute of Technology, a ajouté que « la clé de cette réalisation réside dans la conception et le développement intelligents d'un système expérimental. Ce travail d'Ido Kaminer et de son groupe et de ses collègues est une avancée cruciale. Il présente un grand intérêt scientifique et technologique, et est d'une importance cruciale pour le domaine.
Le professeur Kaminer est également affilié au Helen Diller Quantum Center et au Russell Berrie Nanotechnology Institute. L'étude a été dirigée par un Ph.D. étudiants Yaniv Kurman et Raphael Dahan. Les autres membres de l'équipe de recherche étaient le Dr Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv et Ori Reinhardt. La recherche était basée sur une collaboration internationale avec les groupes du professeur James Edgar (Kansas State University), du professeur Mathieu Kociak (Université Paris Sud) et du professeur Frank Koppens (ICFO, The Barcelona Institute of Science and Technology).
Référence : "Imagerie spatio-temporelle de la dynamique des paquets d'ondes de polariton 2D à l'aide d'électrons libres" par 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 et Ido Kaminer, 11 juin 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abg9015
