Los investigadores han observado pulsos de luz acústica en materiales bidimensionales por primera vez

rayo de luz

Crédito: CC0 Public Domain

Utilizando un microscopio electrónico ultrarrápido, los investigadores del Technion – Instituto de Tecnología de Israel han registrado, por primera vez, la propagación combinada de ondas de luz y sonido en materiales atómicamente delgados.


Los experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio Robert y Ruth Magid de Dinámica del Haz de Electrones, dirigido por el profesor Ido Kaminer, de la Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática Andrew and Erna Viterbi y del Instituto de Estado Sólido.

Los materiales de una sola capa, también conocidos como materiales bidimensionales, son en sí mismos materiales nuevos, materiales sólidos compuestos por una sola capa de átomos. El grafeno, el primer material bidimensional descubierto, se aisló por primera vez en 2004, una hazaña que ganó el Premio Nobel de 2010. Ahora, por primera vez, los científicos de Technion están mostrando cómo se mueven los pulsos de luz dentro de estos materiales. Sus hallazgos, “Imágenes espaciotemporales de la dinámica bidimensional de paquetes de ondas Polariton utilizando electrones libres” se publican en Ciencias.

La luz se mueve por el espacio a una velocidad de 300.000 km / s. Moviéndose a través del agua o del vaso, se ralentiza una fracción. Pero cuando viaja a través de algunos de los pocos sólidos en capas, la luz se ralentiza aproximadamente mil veces. Esto sucede porque la luz hace que los átomos de estos materiales especiales vibren para formar ondas sonoras (también llamadas fonones), y estos átomos ondas sonoras Crea luz cuando vibra. Por lo tanto, el pulso es en realidad una mezcla estrecha de sonido y luz, llamada “fonón-polaritón”. Encendido, el material “canta”.

Los científicos lanzan pulsos de luz a lo largo del borde de un material bidimensional, produciendo en el material el sonido híbrido:ondas de luz. No solo pudieron registrar estas ondas, sino que también descubrieron que los pulsos pueden acelerarse y desacelerarse automáticamente. Sorprendentemente, las ondas se dividen en dos pulsos separados, moviéndose a diferentes velocidades.

El experimento se realizó 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 el detector. Este proceso permitió a los investigadores rastrear el sonido y la onda de luz con una precisión sin precedentes, tanto en el espacio como en el tiempo. La resolución de tiempo es de 50 femtosegundos (50 x 10-15 segundos). El número de fotogramas por segundo es similar al número de segundos en un millón de años.

Crédito: Technion – Instituto de Tecnología de Israel

“La onda híbrida se mueve dentro del material, por lo que no se puede observar con un microscopio óptico normal”, explicó Corman. “La mayoría de las mediciones de luz en materiales 2D se basan en técnicas de microscopía que utilizan objetos en forma de aguja que escanean la superficie punto por punto, pero cada contacto de estas agujas perturba el movimiento de la onda que estamos tratando de obtener. Por el contrario, nuestra nueva tecnología puede visualizar el movimiento de la luz sin perturbarlo ”. Nuestros resultados no pueden lograrse con los métodos actuales. Resultados científicosIntroducimos una tecnología de medición que no habíamos visto antes y que será relevante para muchos descubrimientos científicos. “

Este estudio nació en el apogeo de la epidemia de COVID-19. En los meses de bloqueo con universidades cerradas, Yaniv Karman anunció un graduado En el laboratorio del profesor Kaminer, se sentó en casa y realizó cálculos matemáticos para predecir cómo se comportarían los pulsos de luz en materiales bidimensionales y cómo podrían medirse. Mientras tanto, Raphael Dahan, otro estudiante del mismo laboratorio, se dio cuenta de cómo enfocar pulsos infrarrojos en un microscopio electrónico de matriz e hizo las actualizaciones necesarias para que esto suceda. Una vez que terminó el encierro, el grupo pudo probar la teoría de Korman e incluso revelar fenómenos adicionales que no esperaban.

Si bien este es un estudio científico básico, los científicos esperan que tenga múltiples aplicaciones industriales y de investigación. “Podemos usar el sistema para estudiar varios fenómenos físicos a los que no se puede acceder de otra manera”, dijo el profesor Kaminer. “Estamos planeando experimentos que miden vórtices de luz, experimentos en la teoría del caos y simulan fenómenos que ocurren cerca de los agujeros negros. Además, nuestros resultados pueden permitir la producción de ‘cables’ ópticos delgados atómicos, que pueden colocarse dentro de circuitos eléctricos y transmitir datos sin picos. Temperatura del sistema: una tarea que actualmente enfrenta desafíos importantes debido a la reducción del circuito “.

El trabajo en equipo comienza a buscar Luz Pulsa dentro de un nuevo grupo de materiales, ampliando las capacidades de los microscopios electrónicos y mejorando la posibilidad de comunicación óptica a través de capas atómicamente delgadas.

“Estoy satisfecho con estos resultados”, dijo el profesor Harald Jessen, de la Universidad de Stuttgart, que no formó parte de esta investigación. “Esto representa un verdadero avance en nanoóptica ultrarrápida, y representa tecnología de punta y una vanguardia en la frontera científica. El monitoreo en tiempo real y en espacio real es hermoso y nunca se ha probado antes, para el lo mejor de mi conocimiento “.

Otro científico eminente que no participó en el estudio, John Guanopoulos del Instituto de Tecnología de Massachusetts, agregó: “La clave de este logro es el diseño inteligente y el desarrollo de un sistema experimental. Este trabajo de Edo Kaminer, su equipo y sus colegas es un paso crítico hacia adelante. Es de gran importancia tanto a nivel científico como tecnológico, es de crucial importancia en este campo ”.


Un microscopio único permite un gran avance en la ciencia cuántica


más información:
Yaniv Corman et al., Imágenes espaciotemporales de la dinámica de haces de ondas polares 2D utilizando electrones libres, Ciencias (2021). DOI: 10.1126 / science.abg9015

La frase: Investigadores observan pulsos de luz y sonido en materiales 2D por primera vez (2021, 11 de junio) Recuperado el 11 de junio de 2021 de https://phys.org/news/2021-06-sound-light-pulses-2d-materials .html

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