Usando un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida, investigadores del Technion — Instituto de Tecnología de Israel tienen, por primera vez, registró la propagación de ondas de luz y sonido combinadas en materiales atómicamente delgados.

Los experimentos se realizaron en el Laboratorio de Dinámica Cuántica de Rayos de Electrones Robert y Ruth Magid dirigido por el profesor Ido Kaminer. de la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática Andrew y Erna Viterbi y del Instituto de Estado Sólido.

Materiales de una sola capa, alternativamente conocidos como materiales 2D, son en sí mismos materiales novedosos, sólidos que consisten en una sola capa de átomos. Grafeno el primer material 2D descubierto, fue aislado por primera vez en 2004, un logro que le valió el Premio Nobel de 2010. Ahora, por primera vez, Los científicos del Technion muestran cómo se mueven los pulsos de luz dentro de estos materiales. Sus hallazgos, "Imágenes espaciotemporales de la dinámica de paquetes de ondas de polaritón 2D utilizando electrones libres, "fueron publicados en Ciencias .

La luz se mueve a través del espacio a 300, 000 km / s. Moviéndose a través del agua o del vidrio, se ralentiza en una fracción. Pero cuando se mueve a través de ciertos sólidos de pocas capas, la luz se ralentiza casi mil veces. Esto ocurre porque la luz hace que los átomos de estos materiales especiales vibren para crear ondas sonoras (también llamadas fonones). y estas ondas de sonido atómicas crean luz cuando vibran. Por lo tanto, el pulso es en realidad una combinación estrechamente unida de sonido y luz, llamado "phonon-polariton". Iluminado el material "canta".

Los científicos hicieron brillar pulsos de luz a lo largo del borde de un material 2D, produciendo en el material las ondas híbridas sonido-luz. No solo pudieron registrar estas ondas, pero también encontraron que los pulsos pueden acelerarse y desacelerarse espontáneamente. Asombrosamente, las olas incluso se dividen en dos pulsos separados, moviéndose a diferentes velocidades.

El experimento se llevó a cabo utilizando un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida (UTEM). A diferencia de los microscopios ópticos y los microscopios electrónicos de barrido, aquí las partículas pasan a través de la muestra y luego son recibidas por un detector. Este proceso permitió a los investigadores rastrear la onda de luz y sonido con una resolución sin precedentes, tanto en el espacio como en el tiempo. La resolución de tiempo es de 50 femtosegundos, 50X10-15 segundos, el número de fotogramas por segundo es similar al número de segundos en un millón de años.

"La onda híbrida se mueve dentro del material, por lo que no puede observarlo con un microscopio óptico normal, "Kurman explicó." La mayoría de las mediciones de luz en materiales 2D se basan en técnicas de microscopía que utilizan objetos con forma de aguja que escanean sobre la superficie punto por punto, pero cada contacto de estas agujas perturba el movimiento de la onda que intentamos imaginar. A diferencia de, nuestra nueva técnica puede visualizar el movimiento de la luz sin perturbarla. Nuestros resultados no podrían haberse obtenido con los métodos existentes. Entonces, además de nuestros hallazgos científicos, presentamos una técnica de medición nunca antes vista que será relevante para muchos más descubrimientos científicos ".

Este estudio nació en el apogeo de la epidemia de COVID-19. En los meses de encierro con las universidades cerradas, Yaniv Kurman, un estudiante de posgrado en el laboratorio del profesor Kaminer, se sentó en casa e hizo los cálculos matemáticos prediciendo cómo deberían comportarse los pulsos de luz en materiales 2D y cómo podrían medirse. Mientras tanto, Rafael Dahan, otro estudiante en el mismo laboratorio, se dio cuenta de cómo enfocar pulsos infrarrojos en el microscopio electrónico del grupo e hizo las actualizaciones necesarias para lograrlo. Una vez que terminó el encierro, el grupo pudo probar la teoría de Kurman, e incluso revelar fenómenos adicionales que no esperaban.

Si bien este es un estudio científico fundamental, los científicos esperan que tenga múltiples aplicaciones industriales y de investigación. "Podemos utilizar el sistema para estudiar diferentes fenómenos físicos que de otro modo no serían accesibles, ", dijo el profesor Kaminer." Estamos planeando experimentos que medirán vórtices de luz, experimentos en la teoría del caos, y simulaciones de fenómenos que ocurren cerca de los agujeros negros. Es más, nuestros hallazgos pueden permitir la producción de cables de fibra óptica atómicamente delgados, "que podría colocarse dentro de circuitos eléctricos y transmitir datos sin sobrecalentar el sistema, una tarea que actualmente enfrenta desafíos considerables debido a la minimización de circuitos".

El trabajo del equipo inicia la investigación de pulsos de luz dentro de un novedoso conjunto de materiales, amplía las capacidades de los microscopios electrónicos, y promueve la posibilidad de comunicación óptica a través de capas atómicamente delgadas.

"Me emocionaron estos hallazgos, "dijo el profesor Harald Giessen, de la Universidad de Stuttgart, que no formó parte de esta investigación. "Esto representa un verdadero avance en nanoóptica ultrarrápida, y representa el estado del arte y la vanguardia de la frontera científica. La observación en el espacio real y en tiempo real es hermosa y tiene, que yo sepa, no se ha demostrado antes ".

Otro científico destacado que no participó en el estudio, John Joannopoulos del Instituto de Tecnología de Massachusetts, agregó eso, "La clave de este logro está en el diseño inteligente y el desarrollo de un sistema experimental. Este trabajo de Ido Kaminer y su grupo y colegas es un paso crítico hacia adelante. Es de gran interés tanto científica como tecnológicamente, y es de vital importancia para el campo ".