Kutatócsoport, LR: Yuval Adiv, Yaniv Kurman, Ido Kaminer professzor, Raphael Dahan és Dr. Kangpeng Wang. Köszönet: Technion – Israel Institute of Technology
A Fény térbeli és időbeli szimfóniája
A Technion – Israel Institute of Technology kutatói ultragyors transzmissziós elektronmikroszkóp segítségével először rögzítették a kombinált hang- és fényhullámok terjedését atomosan vékony anyagokban.
A kísérleteket a Robert és Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory-ban végezték, Ido Kaminer professzor vezetésével, az Andrew és Erna Viterbi Villamos- és Számítástechnikai Kar és a Szilárdtest-intézet professzora.
Az egyrétegű anyagok, más néven 2D anyagok, önmagukban új anyagok, szilárd anyagok, amelyek egyetlen réteg atomból állnak. A grafént, az első felfedezett 2D-s anyagot 2004-ben izolálták először, ez az eredmény 2010-ben Nobel-díjat kapott. A Technion tudósai most először mutatják meg, hogyan mozognak a fényimpulzusok ezekben az anyagokban. Eredményeiket „Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons” címmel publikálták. Tudomány sok tudós nagy érdeklődése nyomán.
Hang-Fény hullám illusztrációja 2D anyagokban és mérése szabad elektronok segítségével. Köszönet: Technion – Israel Institute of Technology
A fény 300,000 XNUMX km/s sebességgel halad az űrben. Vízen vagy üvegen áthaladva töredékével lelassul. De bizonyos néhány rétegű szilárd testen áthaladva a fény majdnem ezerszeresére lassul. Ez azért van így, mert a fény hatására ezeknek a speciális anyagoknak az atomjai rezgésbe hoznak hanghullámokat (más néven fononokat), és ezek az atomi hanghullámok fényt hoznak létre, amikor rezegnek. Így az impulzus valójában a hang és a fény szorosan kötött kombinációja, amelyet „fonon-polaritonnak” neveznek. Megvilágítva az anyag „énekel”.
A tudósok fényimpulzusokat világítottak meg egy 2D-s anyag széle mentén, és az anyagban hibrid hang-fényhullámokat hoztak létre. Nemcsak rögzíteni tudták ezeket a hullámokat, de azt is megállapították, hogy az impulzusok spontán felgyorsulnak és lelassulnak. Meglepő módon a hullámok még két különálló impulzusra is szétváltak, és különböző sebességgel mozogtak.
A kísérletet ultragyors transzmissziós elektronmikroszkóppal (UTEM) végezték. Az optikai mikroszkópokkal és a pásztázó elektronmikroszkópokkal ellentétben itt a részecskék áthaladnak a mintán, majd egy detektor fogadja őket. Ez az eljárás lehetővé tette a kutatók számára, hogy a hang-fény hullámot példátlan felbontásban követhessék, térben és időben egyaránt. Az időfelbontás 50 femtoszekundum – 50X10-15 másodperc – a másodpercenkénti képkockák száma hasonló az egymillió év másodperceinek számához.
"A hibrid hullám az anyag belsejében mozog, így nem lehet megfigyelni normál optikai mikroszkóppal" - magyarázta Kurman. „A 2D-s anyagokban a legtöbb fénymérés olyan mikroszkópos technikákon alapul, amelyek tűszerű tárgyakat használnak, amelyek pontról pontra pásztázzák a felületet, de minden ilyen tűérintkezés zavarja a leképezni kívánt hullám mozgását. Ezzel szemben az új technikánk képes leképezni a fény mozgását anélkül, hogy megzavarná azt. Eredményeinket a meglévő módszerekkel nem lehetett volna elérni. Tehát tudományos eredményeinken kívül bemutatunk egy eddig nem látott mérési technikát, amely még sok tudományos felfedezés szempontjából releváns lesz.”
Ez a tanulmány a COVID-19 járvány csúcspontján született. A bezárás hónapjaiban, amikor az egyetemek bezártak, Yaniv Kurman, Prof. Kaminer laboratóriumának végzős hallgatója otthon ült, és matematikai számításokat végzett, amelyek megjósolták, hogyan viselkedjenek a fényimpulzusok a 2D anyagokban, és hogyan lehet őket mérni. Eközben Raphael Dahan, egy másik diák ugyanabban a laborban rájött, hogyan kell az infravörös impulzusokat a csoport elektronmikroszkópjába fókuszálni, és megtette a szükséges fejlesztéseket ennek eléréséhez. Miután a zárlat véget ért, a csoport be tudta bizonyítani Kurman elméletét, és még olyan további jelenségeket is felfedhetett, amelyekre nem számítottak.
Noha ez egy alapvető tudományos tanulmány, a tudósok arra számítanak, hogy több kutatási és ipari alkalmazást is kínál. „A rendszer segítségével különböző fizikai jelenségeket tanulmányozhatunk, amelyek egyébként nem hozzáférhetők” – mondta Prof. Kaminer. „Kísérleteket tervezünk, amelyek fényörvényeket mérnek, kísérleteket a káoszelméletben, és szimulálunk olyan jelenségeket, amelyek a fekete lyukak közelében fordulnak elő. Ezen túlmenően eredményeink lehetővé tehetik atomosan vékony száloptikai „kábelek” előállítását, amelyek elektromos áramkörökbe helyezhetők, és a rendszer túlmelegedése nélkül továbbíthatnak adatokat – ez a feladat jelenleg jelentős kihívásokkal néz szembe az áramkör minimalizálása miatt.
LR: Yaniv Kurman és Ido Kaminer professzor. Köszönet: Technion – Israel Institute of Technology
A csapat munkája elindítja a fényimpulzusok kutatását egy újszerű anyagkészleten belül, kiszélesíti az elektronmikroszkópok képességeit, és elősegíti az optikai kommunikáció lehetőségét atomosan vékony rétegeken keresztül.
„Izgatottak voltak ezek az eredmények” – mondta Harald Giessen professzor, a Stuttgarti Egyetemről, aki nem vett részt ebben a kutatásban. „Ez igazi áttörést jelent az ultragyors nanooptikában, és azt jelenti korszerű és a főél a tudomány határterületéről. A valós térben és valós időben történő megfigyelés gyönyörű, és tudomásom szerint még nem mutatták be korábban.”
Egy másik prominens tudós, aki nem vett részt a tanulmányban, John Joannopoulos, a Massachusetts Institute of Technology munkatársa hozzátette, hogy „Ennek a teljesítménynek a kulcsa egy kísérleti rendszer okos tervezésében és fejlesztésében rejlik. Ido Kaminer, csoportjának és kollégáinak ez a munkája kritikus előrelépés. Tudományosan és technológiailag egyaránt nagy érdeklődésre tart számot, és kritikus jelentőséggel bír a terület számára.”
Prof. Kaminer a Helen Diller Quantum Centerrel és a Russell Berrie Nanotechnológiai Intézettel is kapcsolatban áll. A tanulmány élén a Ph.D. Yaniv Kurman és Raphael Dahan tanulók. A kutatócsoport további tagjai Dr. Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv és Ori Reinhardt voltak. A kutatás Prof. James Edgar (Kansasi Állami Egyetem), Prof. Mathieu Kociak (Université Paris Sud) és Prof. Frank Koppens (ICFO, The Barcelona Institute of Science and Technology) csoportjaival folytatott nemzetközi együttműködésen alapult.
Hivatkozás: Yaniv Kurman, Raphael Dahan, Hanan Herzig Sheinfux, Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv, Ori Reinhardt, Luiz HG Tizei, Steffi Y. Woo, Jiahan Li, „Spatiotemporal imaging of 2D polariton wave packet dynamics using free elektrons” James H. Edgar, Mathieu Kociak, Frank HL Koppens és Ido Kaminer, 11. június 2021. Tudomány.
DOI: 10.1126 / science.abg9015
