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I ricercatori hanno osservato per la prima volta impulsi luce-acustici in materiali bidimensionali

Credito: CC0 Dominio Pubblico

Utilizzando un microscopio elettronico ultraveloce, i ricercatori del Technion – Israel Institute of Technology hanno registrato, per la prima volta, la propagazione combinata delle onde sonore e luminose in materiali atomicamente sottili.


Gli esperimenti sono stati condotti nel Robert and Ruth Magid Laboratory of Electron Beam Dynamics, guidato dal professor Ido Kaminer, dell’Andrew and Erna Viterbi College of Electrical and Computer Engineering e del Solid State Institute.

I materiali monostrato, noti anche come materiali bidimensionali, sono essi stessi nuovi materiali, materiali solidi costituiti da un singolo strato di atomi. Il grafene, il primo materiale bidimensionale scoperto, è stato isolato per la prima volta nel 2004, un’impresa che ha vinto il Premio Nobel 2010. Ora, per la prima volta, gli scienziati del Technion stanno mostrando come si muovono gli impulsi di luce all’interno di questi materiali. Le loro scoperte, “Imaging spaziotemporale della dinamica bidimensionale del pacchetto d’onda Polariton utilizzando elettroni liberi” sono pubblicate in Scienza.

La luce si muove nello spazio a una velocità di 300.000 km/s. Muovendosi attraverso l’acqua o attraverso il vetro, rallenta di una frazione. Ma quando viaggia attraverso alcuni dei pochi solidi stratificati, la luce rallenta di circa mille volte. Questo accade perché la luce fa vibrare gli atomi di questi materiali speciali per formare onde sonore (chiamate anche fononi), e questi atomi onde sonore Crea luce quando vibra. Quindi, l’impulso è in realtà una stretta miscela di suono e luce, chiamata “fonone-polaritone”. Acceso, il materiale “canta”.

Gli scienziati lanciano impulsi luminosi lungo il bordo di un materiale bidimensionale, producendo nel materiale il suono ibrido-onde luminose. Non solo sono stati in grado di registrare queste onde, ma hanno anche scoperto che gli impulsi possono accelerare e rallentare automaticamente. Sorprendentemente, le onde si sono divise in due impulsi separati, muovendosi a velocità diverse.

L’esperimento è stato eseguito utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (UTEM). A differenza dei microscopi ottici e dei microscopi elettronici a scansione, qui le particelle passano attraverso il campione e vengono poi ricevute dal rivelatore. Questo processo ha permesso ai ricercatori di tracciare l’onda sonora e luminosa con una precisione senza precedenti, sia nello spazio che nel tempo. La risoluzione temporale è di 50 femtosecondi – 50 x 10-15 secondi – Il numero di fotogrammi al secondo è simile al numero di secondi in un milione di anni.

Credito: Technion – Israel Institute of Technology

“L’onda ibrida si muove all’interno del materiale, quindi non è possibile osservarla con un normale microscopio ottico”, ha spiegato Corman. “La maggior parte delle misurazioni della luce nei materiali 2D si basa su tecniche di microscopia che utilizzano oggetti simili ad aghi che scansionano la superficie punto per punto, ma ogni contatto di questo tipo disturba il movimento dell’onda che stiamo cercando di visualizzare. Al contrario, la nostra nuova tecnologia può immaginare il movimento della luce senza disturbarla.” I nostri risultati non possono essere raggiunti con i metodi attuali. Quindi, oltre a Risultati scientificiIntroduciamo una tecnologia di misurazione che non abbiamo mai visto prima e che sarà rilevante per molte scoperte scientifiche. “

Questo studio è nato al culmine dell’epidemia di COVID-19. Nei mesi di lockdown con le università chiuse, Yaniv Karman ha annunciato a diplomato Nel laboratorio del professor Kaminer, si è seduto a casa ed ha eseguito calcoli matematici per prevedere come si sarebbero comportati gli impulsi luminosi nei materiali bidimensionali e come avrebbero potuto essere misurati. Nel frattempo, Raphael Dahan, un altro studente nello stesso laboratorio, ha capito come mettere a fuoco gli impulsi infrarossi in un microscopio elettronico a matrice e ha apportato gli aggiornamenti necessari per realizzarlo. Una volta terminato il blocco, il gruppo è stato in grado di dimostrare la teoria di Korman e persino di rivelare ulteriori fenomeni che non si aspettavano.

Sebbene questo sia uno studio scientifico di base, gli scienziati si aspettano che abbia molteplici applicazioni di ricerca e industriali. “Possiamo utilizzare il sistema per studiare vari fenomeni fisici a cui non è possibile accedere in altro modo”, ha affermato il professor Kaminer. “Stiamo progettando esperimenti che misurano i vortici di luce, esperimenti sulla teoria del caos e simulano fenomeni che si verificano vicino ai buchi neri. Inoltre, i nostri risultati potrebbero consentire la produzione di “cavi” ottici sottili come atomi, che possono essere collocati all’interno di circuiti elettrici e trasmettere dati senza picchi Temperatura del sistema: un’attività che attualmente deve affrontare sfide significative a causa della riduzione del circuito.

Il lavoro di squadra inizia a cercare Leggero Impulsi all’interno di un nuovo gruppo di materiali, estendendo le capacità dei microscopi elettronici e migliorando la possibilità di comunicazione ottica attraverso strati atomicamente sottili.

“Sono rimasto soddisfatto di questi risultati”, ha affermato il professor Harald Jessen, dell’Università di Stoccarda, che non ha preso parte a questa ricerca. “Questo rappresenta una vera svolta nella nano-ottica ultraveloce e rappresenta la tecnologia all’avanguardia e un vantaggio nella frontiera scientifica. Il monitoraggio in tempo reale e nello spazio reale è bello e non è mai stato dimostrato prima, per il meglio delle mie conoscenze.”

Un altro eminente scienziato che non è stato coinvolto nello studio, John Guanopoulos del Massachusetts Institute of Technology, ha aggiunto: “La chiave di questo risultato è la progettazione intelligente e lo sviluppo di un sistema sperimentale. Questo lavoro di Edo Kaminer, del suo team e dei colleghi è un passo avanti fondamentale, è di grande importanza sia a livello scientifico che tecnologico, è di cruciale importanza in questo campo”.


Un microscopio unico consente una svolta nella scienza quantistica


maggiori informazioni:
Yaniv Corman et al., Imaging spaziotemporale della dinamica del raggio d’onda polare 2D utilizzando elettroni liberi, Scienza (2021). DOI: 10.1126 / science.abg9015

la citazione: I ricercatori osservano per la prima volta gli impulsi suono-luce in materiali 2D (2021, 11 giugno) Estratto l’11 giugno 2021 da https://phys.org/news/2021-06-sound-light-pulses-2d-materials .html

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