Gruppo di ricerca, LR: Yuval Adiv, Yaniv Kurman, Professor Ido Kaminer, Raphael Dahan e Dr. Kangpeng Wang. Credito: Technion – Israel Institute of Technology
Una sinfonia spaziotemporale di luce
Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce, i ricercatori del Technion – Israel Institute of Technology hanno registrato per la prima volta la propagazione di onde luminose e sonore combinate in materiali atomicamente sottili.
Gli esperimenti sono stati eseguiti nel laboratorio di dinamica quantistica con fascio di elettroni Robert e Ruth Magid diretto dal professor Ido Kaminer, della Facoltà di ingegneria elettrica e informatica di Andrew ed Erna Viterbi e del Solid State Institute.
I materiali a strato singolo, in alternativa noti come materiali 2D, sono di per sé nuovi materiali, solidi costituiti da un singolo strato di atomi. Il grafene, il primo materiale 2D scoperto, è stato isolato per la prima volta nel 2004, un risultato che gli è valso il Premio Nobel nel 2010. Ora, per la prima volta, gli scienziati Technion mostrano come gli impulsi di luce si muovono all'interno di questi materiali. I loro risultati, "Imaging spaziotemporale della dinamica dei pacchetti d'onda di polariton 2D utilizzando elettroni liberi", sono stati pubblicati in Scienze seguito dal grande interesse di molti scienziati.
Illustrazione di un'onda Suono-Luce in materiali 2D e sua misurazione mediante elettroni liberi. Credito: Technion – Israel Institute of Technology
La luce si muove nello spazio a 300,000 km/s. Muovendosi nell'acqua o nel vetro, rallenta di una frazione. Ma quando si muove attraverso alcuni solidi a pochi strati, la luce rallenta di quasi mille volte. Ciò si verifica perché la luce fa vibrare gli atomi di questi materiali speciali per creare onde sonore (chiamate anche fononi) e queste onde sonore atomiche creano luce quando vibrano. Pertanto, l'impulso è in realtà una combinazione strettamente legata di suono e luce, chiamata "fonone-polaritone". Illuminato, il materiale "canta".
Gli scienziati hanno proiettato impulsi di luce lungo il bordo di un materiale 2D, producendo nel materiale le onde ibride suono-luce. Non solo sono stati in grado di registrare queste onde, ma hanno anche scoperto che gli impulsi possono accelerare e rallentare spontaneamente. Sorprendentemente, le onde si sono persino divise in due impulsi separati, muovendosi a velocità diverse.
L'esperimento è stato condotto utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (UTEM). Contrariamente ai microscopi ottici e ai microscopi elettronici a scansione, qui le particelle passano attraverso il campione e quindi vengono ricevute da un rivelatore. Questo processo ha permesso ai ricercatori di tracciare l'onda suono-luce con una risoluzione senza precedenti, sia nello spazio che nel tempo. La risoluzione temporale è di 50 femtosecondi – 50X10-15 secondi – il numero di fotogrammi al secondo è simile al numero di secondi in un milione di anni.
"L'onda ibrida si muove all'interno del materiale, quindi non è possibile osservarla utilizzando un normale microscopio ottico", ha spiegato Kurman. “La maggior parte delle misurazioni della luce nei materiali 2D si basano su tecniche di microscopia che utilizzano oggetti aghiformi che scansionano la superficie punto per punto, ma ogni contatto dell'ago disturba il movimento dell'onda che proviamo a immaginare. Al contrario, la nostra nuova tecnica può visualizzare il movimento della luce senza disturbarlo. I nostri risultati non avrebbero potuto essere raggiunti utilizzando i metodi esistenti. Quindi, oltre alle nostre scoperte scientifiche, presentiamo una tecnica di misurazione mai vista prima che sarà rilevante per molte altre scoperte scientifiche”.
Questo studio è nato nel pieno dell'epidemia di COVID-19. Nei mesi di lockdown, con le università chiuse, Yaniv Kurman, uno studente laureato nel laboratorio del Prof. Kaminer, si è seduto a casa e ha fatto i calcoli matematici prevedendo come dovrebbero comportarsi gli impulsi luminosi nei materiali 2D e come potrebbero essere misurati. Nel frattempo, Raphael Dahan, un altro studente dello stesso laboratorio, ha capito come focalizzare gli impulsi infrarossi nel microscopio elettronico del gruppo e ha apportato gli aggiornamenti necessari per farlo. Una volta terminato il blocco, il gruppo è stato in grado di dimostrare la teoria di Kurman e persino di rivelare ulteriori fenomeni che non si aspettavano.
Sebbene questo sia uno studio scientifico fondamentale, gli scienziati si aspettano che abbia molteplici applicazioni di ricerca e industria. "Possiamo utilizzare il sistema per studiare diversi fenomeni fisici che non sarebbero altrimenti accessibili", ha affermato il Prof. Kaminer. “Stiamo progettando esperimenti che misureranno vortici di luce, esperimenti sulla teoria del caos e simulazioni di fenomeni che si verificano vicino ai buchi neri. Inoltre, i nostri risultati potrebbero consentire la produzione di "cavi in fibra ottica" atomicamente sottili, che potrebbero essere inseriti all'interno di circuiti elettrici e trasmettere dati senza surriscaldare il sistema, un compito che attualmente deve affrontare notevoli sfide a causa della minimizzazione del circuito.
LR: Yaniv Kurman e il professor Ido Kaminer. Credito: Technion – Israel Institute of Technology
Il lavoro del team avvia la ricerca sugli impulsi di luce all'interno di un nuovo insieme di materiali, amplia le capacità dei microscopi elettronici e promuove la possibilità di comunicazione ottica attraverso strati atomicamente sottili.
"Sono stato entusiasta di questi risultati", ha affermato il professor Harald Giessen, dell'Università di Stoccarda, che non ha preso parte a questa ricerca. “Questo rappresenta una vera svolta nella nano-ottica ultraveloce e rappresenta all'avanguardia e la bordo d'attacco della frontiera scientifica. L'osservazione nello spazio reale e in tempo reale è bellissima e, per quanto ne so, non è stata dimostrata prima".
Un altro eminente scienziato non coinvolto nello studio, John Joannopoulos del Massachusetts Institute of Technology, ha aggiunto che “la chiave di questo risultato sta nella progettazione e nello sviluppo intelligenti di un sistema sperimentale. Questo lavoro di Ido Kaminer, del suo gruppo e dei suoi colleghi è un passo avanti fondamentale. È di grande interesse sia dal punto di vista scientifico che tecnologico ed è di fondamentale importanza per il campo".
Il Prof. Kaminer è anche affiliato con l'Helen Diller Quantum Center e il Russell Berrie Nanotechnology Institute. Lo studio è stato guidato da Ph.D. studenti Yaniv Kurman e Raphael Dahan. Altri membri del gruppo di ricerca erano il dottor Kangpeng Wang, Michael Yannai, Yuval Adiv e Ori Reinhardt. La ricerca si è basata su una collaborazione internazionale con i gruppi del Prof. James Edgar (Kansas State University), del Prof. Mathieu Kociak (Université Paris Sud) e del Prof. Frank Koppens (ICFO, The Barcelona Institute of Science and Technology).
Riferimento: "Imaging spaziotemporale della dinamica dei pacchetti di onde polariton 2D utilizzando elettroni liberi" di 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 e Ido Kaminer, 11 giugno 2021, Scienze.
DOI: 10.1126/science.abg9015
