Исследовательская группа, LR: Юваль Адив, Янив Курман, профессор Идо Каминер, Рафаэль Дахан и доктор Канпенг Ван. Предоставлено: Технион - Израильский технологический институт.
Пространственно-временная симфония света
Используя сверхбыстрый просвечивающий электронный микроскоп, исследователи из Израильского технологического института Технион впервые зарегистрировали распространение комбинированных звуковых и световых волн в атомарно тонких материалах.
Эксперименты проводились в Лаборатории квантовой динамики электронного пучка Роберта и Рут Магид, возглавляемой профессором Идо Каминером с факультета электротехники и вычислительной техники Эндрю и Эрны Витерби и Института твердого тела.
Однослойные материалы, также известные как 2D-материалы, сами по себе являются новыми материалами, твердыми телами, состоящими из одного слоя атомов. Графен, первый обнаруженный 2D-материал, был впервые изолирован в 2004 году, за что в 2010 году была присуждена Нобелевская премия. Теперь ученые Техниона впервые показывают, как импульсы света движутся внутри этих материалов. Их результаты «Пространственно-временное изображение динамики 2D-поляритонных волновых пакетов с использованием свободных электронов» были опубликованы в Наука после большого интереса многих ученых.
Иллюстрация звуковой-световой волны в 2D-материалах и ее измерение с использованием свободных электронов. Предоставлено: Технион - Израильский технологический институт.
Свет движется в космосе со скоростью 300,000 XNUMX км / с. Двигаясь по воде или по стеклу, он немного замедляется. Но при прохождении через некоторые твердые тела, состоящие из нескольких слоев, свет замедляется почти в тысячу раз. Это происходит потому, что свет заставляет атомы этих специальных материалов вибрировать, создавая звуковые волны (также называемые фононами), и эти атомные звуковые волны создают свет, когда они вибрируют. Таким образом, импульс на самом деле представляет собой тесно связанную комбинацию звука и света, называемую «фонон-поляритон». Горит, материал «поет».
Ученые излучали световые импульсы вдоль края двухмерного материала, создавая в нем гибридные звуковые и световые волны. Они не только смогли записать эти волны, но также обнаружили, что импульсы могут самопроизвольно ускоряться и замедляться. Удивительно, но волны даже разделились на два отдельных импульса, движущихся с разной скоростью.
Эксперимент проводился с использованием сверхбыстрого просвечивающего электронного микроскопа (UTEM). В отличие от оптических микроскопов и сканирующих электронных микроскопов, здесь частицы проходят через образец, а затем принимаются детектором. Этот процесс позволил исследователям отслеживать световые и звуковые волны с беспрецедентным разрешением как в пространстве, так и во времени. Временное разрешение составляет 50 фемтосекунд - 50X10-15 секунд - количество кадров в секунду аналогично количеству секунд в миллионе лет.
«Гибридная волна движется внутри материала, поэтому вы не можете наблюдать ее с помощью обычного оптического микроскопа», - пояснил Курман. «Большинство измерений света в 2D-материалах основаны на методах микроскопии, в которых используются игольчатые объекты, которые сканируют поверхность точка за точкой, но каждый такой контакт иглы нарушает движение волны, которую мы пытаемся отобразить. Напротив, наша новая техника может отображать движение света, не нарушая его. Наши результаты не могли быть достигнуты существующими методами. Итак, в дополнение к нашим научным открытиям, мы представляем ранее невиданную технику измерения, которая будет актуальна для многих других научных открытий ».
Это исследование родилось в разгар эпидемии COVID-19. В месяцы изоляции, когда университеты были закрыты, Янив Курман, аспирант лаборатории профессора Каминера, сидел дома и производил математические вычисления, предсказывающие, как световые импульсы должны вести себя в 2D-материалах и как их можно измерить. Тем временем Рафаэль Дахан, еще один студент той же лаборатории, понял, как фокусировать инфракрасные импульсы в электронный микроскоп группы, и произвел необходимые улучшения для этого. Когда изоляция закончилась, группа смогла доказать теорию Курмана и даже выявить дополнительные явления, которых они не ожидали.
Хотя это фундаментальное научное исследование, ученые ожидают, что оно будет иметь множество исследовательских и промышленных приложений. «Мы можем использовать систему для изучения различных физических явлений, которые иначе недоступны», - сказал профессор Каминер. «Мы планируем эксперименты по измерению световых вихрей, эксперименты по теории хаоса и моделирование явлений, происходящих вблизи черных дыр. Более того, наши открытия могут позволить производить атомарно тонкие волоконно-оптические «кабели», которые можно размещать в электрических цепях и передавать данные без перегрева системы - задача, которая в настоящее время сталкивается со значительными проблемами из-за минимизации цепей ».
LR: Янив Курман и профессор Идо Каминер. Предоставлено: Технион - Израильский технологический институт.
Работа команды инициирует исследование световых импульсов внутри нового набора материалов, расширяет возможности электронных микроскопов и продвигает возможность оптической связи через атомарно тонкие слои.
«Я был в восторге от этих результатов», - сказал профессор Харальд Гиссен из Штутгартского университета, который не принимал участия в этом исследовании. «Это настоящий прорыв в сверхбыстрой нанооптике и уровень развития и передний край научного рубежа. Наблюдения в реальном пространстве и в реальном времени прекрасны и, насколько мне известно, ранее не демонстрировались ».
Другой видный ученый, не участвовавший в исследовании, Джон Джоаннопулос из Массачусетского технологического института, добавил: «Ключ к этому достижению - в умном дизайне и разработке экспериментальной системы. Эта работа Идо Каминера, его группы и коллег - важный шаг вперед. Это представляет большой интерес как с научной, так и с технической точки зрения и имеет решающее значение для данной области ».
Профессор Каминер также связан с Квантовым центром Хелен Диллер и Институтом нанотехнологий Рассела Берри. Возглавил исследование доктор философии. студенты Янив Курман и Рафаэль Дахан. Другими членами исследовательской группы были доктор Канпенг Ван, Майкл Яннаи, Ювал Адив и Ори Рейнхардт. Исследование было основано на международном сотрудничестве с группами профессора Джеймса Эдгара (Университет штата Канзас), профессора Матье Кочака (Университет Париж-Юг) и профессора Фрэнка Коппенса (ICFO, Барселонский институт науки и технологий).
Ссылка: «Пространственно-временное изображение динамики двумерных поляритонных волновых пакетов с использованием свободных электронов» Янив Курман, Рафаэль Дахан, Ханан Херциг Шейнфукс, Канпенг Ван, Майкл Яннаи, Юваль Адив, Ори Рейнхардт, Луис Х.Г. Тизей, Штеффи Ю. Ву, Джахан Ли, Джеймс Х. Эдгар, Матье Кочак, Франк Х. Л. Коппенс и Идо Каминер, 2 июня 11 г., Наука.
DOI: 10.1126 / science.abg9015
