Onderzoekers observeren voor het eerst geluids-lichtpulsen in 2D-materialen

Met behulp van een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop hebben onderzoekers van het Technion-Israel Institute of Technology voor het eerst de voortplanting van gecombineerde geluids- en lichtgolven in atomair dunne materialen vastgelegd.

De experimenten werden uitgevoerd in het Robert en Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory onder leiding van professor Ido Kaminer, van de Andrew en Erna Viterbi Faculty of Electrical & Computer Engineering en het Solid State Institute.

Enkellaagse materialen, ook wel 2D-materialen genoemd, zijn op zichzelf nieuwe materialen, vaste stoffen bestaande uit een enkele laag atomen. Grafeen, het eerste ontdekte 2D-materiaal, werd in 2004 voor het eerst geïsoleerd, een prestatie die in 2010 de Nobelprijs opleverde. Nu laten Technion-wetenschappers voor het eerst zien hoe lichtpulsen in deze materialen bewegen. Hun bevindingen, “Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons”, werden gepubliceerd in Wetenschap.

Licht beweegt met 300.000 km/s door de ruimte. Bewegend door water of door glas, vertraagt ​​het met een fractie. Maar wanneer het door bepaalde vaste stoffen met weinig lagen beweegt, vertraagt ​​​​licht bijna duizendvoudig. Dit gebeurt omdat het licht de atomen van deze speciale materialen laat trillen om geluidsgolven te creëren (ook wel fononen genoemd), en deze atomaire geluidsgolven creëren licht wanneer ze trillen. De puls is dus eigenlijk een strak gebonden combinatie van geluid en licht, ‘phonon-polariton’ genoemd. Verlicht, het materiaal “zingt”.

De wetenschappers schenen lichtpulsen langs de rand van een 2D-materiaal en produceerden in het materiaal de hybride geluids-lichtgolven. Ze waren niet alleen in staat om deze golven vast te leggen, maar ze ontdekten ook dat de pulsen spontaan kunnen versnellen en vertragen. Verrassend genoeg splitsten de golven zich zelfs in twee afzonderlijke pulsen, die met verschillende snelheden bewegen.

Het experiment werd uitgevoerd met behulp van een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UTEM). In tegenstelling tot optische microscopen en scanning-elektronenmicroscopen, gaan hier deeltjes door het monster en worden vervolgens opgevangen door een detector. Dankzij dit proces konden de onderzoekers de geluidslichtgolf in een ongekende resolutie volgen, zowel in de ruimte als in de tijd. De tijdresolutie is 50 femtoseconde – 50X10-15 seconden – het aantal frames per seconde is vergelijkbaar met het aantal seconden in een miljoen jaar.

“De hybride golf beweegt in het materiaal, dus je kunt het niet observeren met een gewone optische microscoop”, legt Kurman uit. “De meeste lichtmetingen in 2D-materialen zijn gebaseerd op microscopietechnieken die naaldachtige objecten gebruiken die punt voor punt over het oppervlak scannen, maar elk dergelijk naaldcontact verstoort de beweging van de golf die we proberen in beeld te brengen. onze nieuwe techniek kan de beweging van licht in beeld brengen zonder het te verstoren. Onze resultaten zouden niet bereikt zijn met bestaande methoden. Dus, naast onze wetenschappelijke bevindingen, presenteren we een voorheen ongeziene meettechniek die relevant zal zijn voor nog veel meer wetenschappelijke ontdekkingen. “

Deze studie werd geboren op het hoogtepunt van de COVID-19-epidemie. In de maanden van afsluiting, met de universiteiten gesloten, zat Yaniv Kurman, een afgestudeerde student in het laboratorium van prof. Kaminer, thuis en maakte de wiskundige berekeningen om te voorspellen hoe lichtpulsen zich zouden moeten gedragen in 2D-materialen en hoe ze konden worden gemeten. Ondertussen realiseerde Raphael Dahan, een andere student in hetzelfde lab, zich hoe infraroodpulsen in de elektronenmicroscoop van de groep konden worden gefocust en voerde de nodige upgrades uit om dat te bereiken. Toen de lockdown voorbij was, kon de groep de theorie van Kurman bewijzen en zelfs aanvullende verschijnselen onthullen die ze niet hadden verwacht.

Hoewel dit een fundamenteel wetenschappelijk onderzoek is, verwachten de wetenschappers dat het meerdere onderzoeks- en industriële toepassingen zal hebben. “We kunnen het systeem gebruiken om verschillende fysieke verschijnselen te bestuderen die anders niet toegankelijk zijn”, zegt prof. Kaminer. “We plannen experimenten die wervelingen van licht zullen meten, experimenten in de chaostheorie en simulaties van verschijnselen die zich voordoen in de buurt van zwarte gaten. Bovendien kunnen onze bevindingen de productie mogelijk maken van atomair dunne glasvezelkabels”, die in elektrische circuits en gegevens verzenden zonder het systeem te oververhitten – een taak die momenteel voor aanzienlijke uitdagingen staat vanwege de minimalisering van de circuits.”

Het werk van het team initieert het onderzoek naar lichtpulsen in een nieuwe set materialen, verbreedt de mogelijkheden van elektronenmicroscopen en bevordert de mogelijkheid van optische communicatie door atomair dunne lagen.

“Ik was enthousiast over deze bevindingen”, zei professor Harald Giessen van de Universiteit van Stuttgart, die geen deel uitmaakte van dit onderzoek. “Dit is een echte doorbraak in ultrasnelle nano-optica en vertegenwoordigt de stand van de techniek en de voorhoede van de wetenschappelijke grens. De waarneming in de echte ruimte en in realtime is prachtig en is, voor zover ik weet, niet eerder aangetoond. “

Een andere prominente wetenschapper die niet bij het onderzoek betrokken was, John Joannopoulos van het Massachusetts Institute of Technology, voegde toe: “De sleutel tot deze prestatie ligt in het slimme ontwerp en de ontwikkeling van een experimenteel systeem. Dit werk van Ido Kaminer en zijn groep en collega’s is een cruciale stap voorwaarts. Het is zowel wetenschappelijk als technologisch van groot belang en van cruciaal belang voor het veld.”