Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce, ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology hanno, per la prima volta, ha registrato la propagazione di onde sonore e luminose combinate in materiali atomicamente sottili.

Gli esperimenti sono stati eseguiti nel Robert and Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory guidato dal professor Ido Kaminer, della Facoltà di Ingegneria Elettrica e Informatica Andrew ed Erna Viterbi e del Solid State Institute.

Materiali monostrato, in alternativa noti come materiali 2D, sono di per sé nuovi materiali, solidi costituiti da un singolo strato di atomi. Grafene, scoperto il primo materiale 2D, è stato isolato per la prima volta nel 2004, un traguardo che gli è valso il Premio Nobel 2010. Ora, per la prima volta, Gli scienziati del Technion mostrano come gli impulsi di luce si muovono all'interno di questi materiali. Le loro scoperte, "Imaging spaziotemporale della dinamica del pacchetto d'onda di polaritoni 2D utilizzando elettroni liberi, " sono stati pubblicati in Scienza .

La luce si muove nello spazio a 300, 000 km/s. Muoversi attraverso l'acqua o attraverso il vetro, rallenta di una frazione. Ma quando ci si muove attraverso certi solidi a pochi strati, la luce rallenta quasi mille volte. Ciò si verifica perché la luce fa vibrare gli atomi di questi materiali speciali per creare onde sonore (chiamate anche fononi), e queste onde sonore atomiche creano luce quando vibrano. Così, il polso è in realtà una combinazione strettamente legata di suono e luce, chiamato "fonone-polaritone". illuminato, il materiale "canta".

Gli scienziati hanno irradiato impulsi di luce lungo il bordo di un materiale 2D, producendo nel materiale le onde sonore-luce ibride. Non solo sono stati in grado di registrare queste onde, ma hanno anche scoperto che gli impulsi possono accelerare e rallentare spontaneamente. Sorprendentemente, le onde si dividono addirittura in due impulsi separati, muovendosi a velocità diverse.

L'esperimento è stato condotto utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (UTEM). Contrariamente ai microscopi ottici e ai microscopi elettronici a scansione, qui le particelle passano attraverso il campione e poi vengono ricevute da un rivelatore. Questo processo ha permesso ai ricercatori di tracciare l'onda sonora con una risoluzione senza precedenti, sia nello spazio che nel tempo. La risoluzione temporale è di 50 femtosecondi—50X10-15 secondi—il numero di fotogrammi al secondo è simile al numero di secondi in un milione di anni.

"L'onda ibrida si muove all'interno del materiale, quindi non puoi osservarlo usando un normale microscopio ottico, " ha spiegato Kurman. "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 cerchiamo di immaginare. In contrasto, la nostra nuova tecnica può immaginare il movimento della luce senza disturbarla. I nostri risultati non avrebbero potuto essere raggiunti utilizzando i metodi esistenti. Così, oltre alle nostre scoperte scientifiche, presentiamo una tecnica di misurazione mai vista prima che sarà rilevante per molte altre scoperte scientifiche".

Questo studio è nato al culmine dell'epidemia di COVID-19. Nei mesi di lockdown, con le università chiuse, Yaniv Kurman, uno studente laureato nel laboratorio del Prof. Kaminer, si è seduto a casa e ha fatto i calcoli matematici prevedendo come dovrebbero comportarsi gli impulsi luminosi nei materiali 2D e come potrebbero essere misurati. Nel frattempo, Raffaello Dahan, un altro studente nello stesso laboratorio, ha capito come focalizzare gli impulsi infrarossi nel microscopio elettronico del gruppo e ha apportato gli aggiornamenti necessari per farlo. Finito il lockdown, il gruppo è stato in grado di dimostrare la teoria di Kurman, e persino rivelare ulteriori fenomeni che non si aspettavano.

Sebbene questo sia uno studio scientifico fondamentale, gli scienziati si aspettano che abbia molteplici applicazioni di ricerca e industriali. "Possiamo usare il sistema per studiare diversi fenomeni fisici che non sono altrimenti accessibili, " ha detto il Prof. Kaminer. "Stiamo progettando esperimenti che misureranno i vortici di luce, esperimenti di teoria del caos, e simulazioni di fenomeni che si verificano vicino ai buchi neri. Inoltre, i nostri risultati possono consentire la produzione di "cavi in ​​fibra ottica" atomicamente sottili, "che potrebbe essere collocato all'interno di circuiti elettrici e trasmettere dati senza surriscaldare il sistema, un compito che attualmente sta affrontando notevoli sfide a causa della minimizzazione del circuito".

Il lavoro del team avvia la ricerca di impulsi luminosi all'interno di un nuovo insieme di materiali, amplia le capacità dei microscopi elettronici, e promuove la possibilità di comunicazione ottica attraverso strati atomicamente sottili.

"Ero entusiasta di questi risultati, " ha detto il professor Harald Giessen, dell'Università di Stoccarda, che non faceva parte di questa ricerca. "Questo rappresenta una vera svolta nella nano-ottica ultraveloce, e rappresenta lo stato dell'arte e l'avanguardia della frontiera scientifica. L'osservazione nello spazio reale e in tempo reale è bella e ha, Che io sappia, non è stato dimostrato prima".

Un altro eminente scienziato non coinvolto nello studio, John Joannopoulos del Massachusetts Institute of Technology, ha aggiunto che, "La chiave di questo risultato sta nella progettazione intelligente e nello sviluppo di un sistema sperimentale. Questo lavoro di Ido Kaminer, del suo gruppo e dei suoi colleghi è un passo avanti fondamentale. È di grande interesse sia scientifico che tecnologico, ed è di fondamentale importanza per il campo".