声光脉冲在二维材料首次观察到

使用一个超速的透射电子显微镜,从Technion——以色列理工学院的研究人员,第一次记录声音和光波的传播自动薄材料。

实验进行的罗伯特和露丝马吉德电子束量子动力学实验室教授伊多·卡为首的安德鲁和厄纳维特比电气和计算机工程学院和固体研究所。

单层材料,也被称为二维材料,本身就是新材料,固体组成的单原子层。第一个二维材料发现,石墨烯在2004年首次分离,一个成就,获得2010年的诺贝尔奖。现在,第一次,Technion工业科学家展示这些材料内部的光脉冲移动。他们的发现,“时空成像二维电磁声子波包动力学使用自由电子,”被许多科学家发表在科学极大的兴趣。

光线穿过空间在300000 km / s。移动通过水或玻璃,它减缓了一小部分。但是当移动通过某些几层固体,减缓近千重。这是因为这些特殊材料的光使原子振动产生声波(也称为声子),而这些原子声波振动时创造光。因此,脉冲实际上是一个结合紧密的结合声音和光线,称为“phonon-polariton。“照亮,材料“唱”。

科学家们闪耀的光脉冲沿着边缘的二维材料,生产材料的混合声光波。他们不仅能够记录这些波,但他们也发现脉冲可以自发地加速和减速。令人惊讶的是,海浪甚至分裂成两个独立的脉冲,移动的速度不同。

实验进行了使用一个超速的透射电子显微镜(UTEM)。与光学显微镜和扫描电子显微镜,粒子穿过样品,然后由探测器接收。这个过程允许研究人员追踪声光波以前所未有的分辨率,在空间和时间。时间分辨率是50飞秒- 50 x10-15秒帧每秒的数量是类似于一百万年的秒数。

“材料内的混合波移动,所以你不能使用普通光学显微镜观察它,“Kurman解释道。“大多数测量光在2 d材料是基于显微技术,使用针状的对象表面逐点扫描,但每一个这样的needle-contact干扰波的运动我们的形象。相比之下,我们的新技术可以形象的运动没有令人不安。我们的结果不可能是通过使用现有的方法。所以,除了我们的科学发现,呈现出前所未有的测量技术,将与更多的科学发现。”

本研究生于COVID-19流行的高度。个月的封锁,大学关闭,Yaniv Kurman,研究生卡闵教授的实验室,坐在家里,使数学计算预测光脉冲应该如何在二维材料和如何被测量。同时,拉斐尔Dahan,另一个学生在同一实验室,意识到如何专注红外脉冲到集团的电子显微镜,必要的升级完成。一旦锁定,该组织是能够证明Kurman的理论,甚至显示额外的现象,他们出乎意料的时候。

虽然这是一个基础科学的研究中,科学家们希望它有多个研究和工业应用。“我们可以使用这个系统来研究不同的物理现象,否则将无法访问,”卡闵教授说。“我们计划实验,测量光的漩涡,混沌理论、实验和模拟黑洞附近发生的现象。此外,我们的研究结果可能允许自动生产薄光纤电缆,可放置在电路和传输数据而不过热系统——一个任务,目前由于电路最小化面临相当大的挑战。”

团队的工作启动的研究光脉冲在一套新颖的材料,扩大电子显微镜的功能,促进光通信自动通过薄层的可能性。

说:“我很兴奋,这些发现哈拉尔德教授吉森,斯图加特大学的他并没有这项研究的一部分。“这提出了一个真正的突破,超快的纳米光学,和代表状态的艺术和科学前沿的前缘。实时观察在现实空间和美丽,,据我所知,没有了。”

另一个著名的科学家没有参与这项研究,从麻省理工学院的John Joannopoulos,补充说:“在这个成就的关键是聪明的一个实验系统的设计和开发。这项工作由伊多·卡和他的团队和同事是一个至关重要的一步。科学和技术两方面的极大的兴趣,并是至关重要的。”

海伦·教授也隶属于Diller量子中心和罗素•白瑞纳米技术研究所。这项研究是由博士生Yaniv Kurman和拉斐尔Dahan。研究团队的其他成员Kangpeng王博士,迈克尔•Yannai Yuval Adiv, Ori莱因哈特。这项研究是基于国际合作组的教授詹姆斯•埃德加(堪萨斯州立大学)教授马修Kociak(巴黎Sud),和教授弗兰克Koppens (ICFO巴塞罗那科学技术研究所)。

参考: Kurman Y, Dahan R, Sheinfux HH, et al .时空成像二维电磁声子波包动力学使用自由电子。 科学 。2021,372 (6547):1181 - 1186。doi: 10.1126 / science.abg9015

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