Hogesnelheidselektronencamera ontdekt nieuw ‘lichtvervormend’ gedrag in ultradun materiaal

Tijdens het maken van snapshots met de hogesnelheidselektronencamera in het SLAC National Acceleratory Laboratory van het Department of Energy ontdekten onderzoekers nieuw gedrag in een ultradun materiaal dat een veelbelovende aanpak biedt voor het manipuleren van licht dat nuttig zal zijn voor apparaten die licht detecteren, regelen of uitzenden, gezamenlijk bekend als opto-elektronische apparaten, en onderzoeken hoe licht wordt gepolariseerd binnen een materiaal. Opto-elektronische apparaten worden gebruikt in veel technologieën die ons dagelijks leven raken, waaronder lichtgevende diodes (LED’s), optische vezels en medische beeldvorming.

Als gerapporteerd in Nano-brievenHet team, onder leiding van SLAC en Stanford-professor Aaron Lindenberg, ontdekte dat wanneer het in een specifieke richting wordt georiënteerd en wordt blootgesteld aan lineaire terahertzstraling, een ultradunne film van wolfraamditelluride, dat gewenste eigenschappen heeft voor het polariseren van licht dat wordt gebruikt in optische apparaten, het binnenkomende licht circulair polariseert.

Terahertzstraling ligt tussen de microgolf- en de infraroodgebieden in het elektromagnetische spectrum en maakt nieuwe manieren mogelijk om de eigenschappen van materialen te karakteriseren en te controleren. Wetenschappers willen graag een manier vinden om dat licht te benutten voor de ontwikkeling van toekomstige opto-elektronische apparaten.

Om het gedrag van een materiaal onder terahertzlicht vast te leggen, is een geavanceerd instrument nodig dat de interacties met ultrahoge snelheid kan registreren. Het toonaangevende instrument van SLAC voor ultrakorte elektronendiffractie (MeV-UED) bij de Linac Coherent Light Source (LCLS) kan precies dat.

Terwijl de MeV-UED normaal gesproken wordt gebruikt om de beweging van atomen te visualiseren door te meten hoe ze elektronen verstrooien nadat ze een monster met een elektronenbundel hebben geraakt, gebruikte dit nieuwe werk de femtoseconde-elektronenpulsen om de elektrische en magnetische velden van de binnenkomende terahertzpulsen te visualiseren, waardoor de elektronen heen en weer gingen wiebelen. In de studie werd circulaire polarisatie aangegeven door afbeeldingen van de elektronen die een cirkelvormig patroon vertoonden in plaats van een rechte lijn

Het ultradunne materiaal was slechts 50 nanometer dik. “Dit is 1.000 tot 10.000 keer dunner dan wat we normaal gesproken nodig hebben om dit type reactie te veroorzaken,” aldus Lindenberg.

Onderzoekers zijn enthousiast over het gebruik van deze ultradunne materialen, bekend als tweedimensionale (2D) materialen, om opto-elektronische apparaten kleiner te maken en meer functies te bieden. Ze voorzien in het creëren van apparaten uit lagen van 2D-structuren, zoals het stapelen van Lego, zei Lindenberg. Elke 2D-structuur zou bestaan ​​uit een ander materiaal, nauwkeurig uitgelijnd om een ​​specifiek type optische respons te genereren. Deze verschillende structuren en functionaliteiten kunnen worden gecombineerd tot compacte apparaten die potentiële toepassingen kunnen vinden, bijvoorbeeld in medische beeldvorming of andere soorten opto-elektronische apparaten.

“Dit werk is een nieuw element in onze gereedschapskist voor het manipuleren van terahertz-lichtvelden, wat op zijn beurt weer nieuwe manieren kan opleveren om materialen en apparaten op interessante manieren te besturen”, aldus Lindenberg.