研究チーム、LR：Yuval Adiv、Yaniv Kurman、Ido Kaminer教授、Raphael Dahan、KangpengWang博士。 クレジット：Technion –イスラエル工科大学
光の時空間交響曲
超高速透過型電子顕微鏡を使用して、テクニオン-イスラエル工科大学の研究者は、初めて、原子的に薄い材料での音波と光の組み合わせの伝播を記録しました。
実験は、アンドリュー・アンド・エルナ・ビテルビ電気・コンピューター工学部および固体研究所のイド・カミナー教授が率いるロバート・アンド・ルース・マジッド電子ビーム量子力学研究所で実施されました。
単層材料は、2D材料とも呼ばれ、それ自体が新しい材料であり、原子の単層からなる固体です。 発見された最初の2D素材であるグラフェンは、2004年に初めて分離され、2010年のノーベル賞を受賞しました。 さて、初めて、テクニオンの科学者は、光のパルスがこれらの材料の中でどのように動くかを示します。 彼らの発見、「自由電子を用いた2Dポラリトン波束ダイナミクスの時空間イメージング」は、 科学 多くの科学者による大きな関心に続いて。
2D材料の音波と光波の図解と自由電子を使用したその測定。 クレジット：Technion –イスラエル工科大学
光は300,000km/sで宇宙を移動します。 水の中やガラスの中を移動すると、速度がわずかに低下します。 しかし、特定の数層の固体を移動すると、光はほぼXNUMX倍遅くなります。 これは、光がこれらの特殊な材料の原子を振動させて音波（フォノンとも呼ばれる）を生成し、これらの原子音波が振動すると光を生成するために発生します。 したがって、パルスは実際には「フォノンポラリトン」と呼ばれる、音と光の緊密に結合された組み合わせです。 ライトアップすると、素材は「歌う」。
科学者たちは、2D素材のエッジに沿って光のパルスを照射し、素材にハイブリッドの音波と光の波を生成しました。 彼らはこれらの波を記録することができただけでなく、パルスが自発的に加速および減速する可能性があることも発見しました。 驚いたことに、波はXNUMXつの別々のパルスに分割され、異なる速度で移動します。
実験は超高速透過型電子顕微鏡（UTEM）を使用して実施されました。 光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡とは異なり、ここでは粒子がサンプルを通過し、検出器によって受け取られます。 このプロセスにより、研究者は、空間と時間の両方で、前例のない解像度で音波を追跡することができました。 時間分解能は50フェムト秒– 50X10-15秒– XNUMX秒あたりのフレーム数は、XNUMX万年の秒数と同じです。
「ハイブリッド波は材料の内部を移動するため、通常の光学顕微鏡では観察できません」とカーマン氏は説明します。 「2D素材の光のほとんどの測定は、表面をポイントごとにスキャンする針のようなオブジェクトを使用する顕微鏡技術に基づいていますが、そのような針の接触はすべて、私たちが画像化しようとする波の動きを妨げます。 対照的に、私たちの新しい技術は、光を乱すことなく光の動きを画像化することができます。 私たちの結果は、既存の方法を使用して達成することはできませんでした。 そのため、私たちの科学的発見に加えて、より多くの科学的発見に関連する、これまでに見られなかった測定手法を紹介します。」
この研究は、COVID-19の流行の真っ只中に生まれました。 大学が閉鎖された封鎖の数ヶ月間、カミナー教授の研究室の大学院生であるYaniv Kurmanは家に座って、光パルスが2D材料でどのように振る舞うべきか、そしてそれらをどのように測定できるかを予測する数学計算を行いました。 一方、同じ研究室の別の学生であるRaphael Dahanは、赤外線パルスをグループの電子顕微鏡に集束させる方法を理解し、それを達成するために必要なアップグレードを行いました。 封鎖が終わると、グループはカーマンの理論を証明し、彼らが予期していなかった追加の現象を明らかにすることさえできました。
これは基礎科学研究ですが、科学者はそれが複数の研究と産業応用を持っていることを期待しています。 「このシステムを使用して、他の方法ではアクセスできないさまざまな物理現象を研究できます」とカミナー教授は述べています。 「私たちは、光の渦を測定する実験、カオス理論での実験、ブラックホールの近くで発生する現象のシミュレーションを計画しています。 さらに、私たちの調査結果は、電気回路内に配置してシステムを過熱することなくデータを送信できる、原子的に細い光ファイバー「ケーブル」の製造を可能にする可能性があります。これは、回路の最小化により現在かなりの課題に直面しているタスクです。」
LR：YanivKurmanとIdoKaminer教授。 クレジット：Technion –イスラエル工科大学
チームの仕事は、新しい材料のセット内の光パルスの研究を開始し、電子顕微鏡の機能を広げ、原子的に薄い層を介した光通信の可能性を促進します。
「私はこれらの発見に興奮しました」と、この研究の一部ではなかったシュトゥットガルト大学のハラルド・ギーセン教授は言いました。 「これは、超高速ナノオプティクスの真のブレークスルーを示し、 最先端 と 最先端 科学的フロンティアの。 実空間とリアルタイムでの観測は美しく、私の知る限り、これまで実証されたことはありません。」
この研究に関与していない別の著名な科学者であるマサチューセッツ工科大学のジョン・ジョアノプロスは、次のように付け加えました。「この成果の鍵は、実験システムの巧妙な設計と開発にあります。 Ido Kaminerと彼のグループおよび同僚によるこの作業は、重要な前進です。 それは科学的にも技術的にも非常に興味深いものであり、この分野にとって非常に重要です。」
Kaminer教授は、Helen DillerQuantumCenterおよびRussellBerrieNanotechnologyInstituteとも提携しています。 この研究は博士号によって主導されました。 学生のYanivKurmanとRaphaelDahan。 研究チームの他のメンバーは、Kangpeng Wang博士、Michael Yannai、Yuval Adiv、およびOriReinhardtでした。 この研究は、James Edgar教授（カンザス州立大学）、Mathieu Kociak教授（UniversitéParisSud）、およびFrank Koppens教授（ICFO、バルセロナ科学技術研究所）のグループとの国際協力に基づいています。
参考：「自由電子を用いた2Dポラリトン波束ダイナミクスの時空間イメージング」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、Ido Kaminer、11年2021月XNUMX日 科学.
DOI：10.1126 / science.abg9015
