Los investigadores detectan pulsos de luz acústica en materiales 2D por primera vez

Sinfonía de luz espacio-temporal

Utilizando un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida, los investigadores del Technion – Instituto de Tecnología de Israel registraron 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 formados 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 Después de un gran interés por parte de muchos estudiosos.

Ilustración de una onda de luz acústica en materiales 2D y su medición mediante electrones libres. Crédito: Technion – Instituto de Tecnología de Israel

La luz se mueve por el espacio a una velocidad de 300.000 km / s. Se mueve a través del agua o el vidrio, reduciendo su velocidad en 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 crear ondas sonoras (también llamadas fonones), y estas ondas sonoras atómicas crean luz cuando vibran. Por lo tanto, el pulso es en realidad una mezcla estrechamente unida de sonido y luz, llamada ‘fonón-polaritón’. Encendido, el material «canta».

Los científicos lanzaron pulsos de luz a lo largo del borde de un material bidimensional, produciendo en el material ondas de luz y sonido híbridas. 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 precisión del 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 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 similares a agujas que escanean la superficie punto por punto, pero cada contacto de la aguja impide el movimiento de la onda que estamos tratando de obtener. Por el contrario, nuestra nueva tecnología puede fotografiar el movimiento de la luz sin perturbarla. Nuestros resultados no se pueden lograr con los métodos actuales. Por lo tanto, además de nuestros hallazgos científicos, presentamos una técnica de medición nunca antes vista y será relevante para muchos descubrimientos científicos ”.

Este estudio nació en el apogeo de la epidemia de COVID-19. En los meses de cierre, con el cierre de las universidades, Yaniv Corman, un estudiante 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 habían esperado.

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 hallazgos pueden permitir la producción de ‘cables’ ópticos atómicamente delgados, que se pueden colocar dentro de circuitos eléctricos y transmitir datos sin sobrecalentamiento del sistema, una tarea que actualmente enfrenta desafíos importantes debido a la reducción del circuito ”.

De izquierda a derecha: Yaniv Kerman y el profesor Ido Kaminer. Crédito: Technion – Instituto de Tecnología de Israel

El trabajo del equipo comienza con la búsqueda de pulsos de luz dentro de una nueva matriz de materiales, amplía las capacidades de los microscopios electrónicos y mejora la posibilidad de comunicación óptica a través de capas delgadas atómicas.

«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 avance real en el campo de la nanoóptica ultrarrápida y representa lo último y el borde de ataque desde la frontera científica. La observación en el espacio real y en tiempo real es hermosa y no ha sido probada antes, que yo sepa ”.

Otro científico destacado 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 grupo y sus colegas es un importante «Un paso adelante. Es de gran importancia en ambos aspectos, científico y tecnológico, y es de suma importancia en este campo».

El profesor Kaminer también pertenece al Helen Diller Quantum Center y al Russell Berry Institute for Nanotechnology. El estudio fue dirigido por Ph.D. Estudiantes Yaniv Karman y Raphael Dahan. Otros miembros del equipo de investigación son el Dr. Kangping Wang, Michael Yanai, Yuval Adev y Uri Reinhardt. La investigación se basó en una colaboración internacional con los grupos del profesor James Edgar (Kansas State University), el profesor Matteo Kociac (Universidad del Sur de París) y el profesor Frank Coppins (Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona).

Referencia: «Imágenes espaciotemporales de la dinámica de paquetes de ondas 2D utilizando electrones libres» por Yaniv Kormann, Raphael Dahan, Hanan Herzeg Chenfu, Kangping Wang, Michael Yana, Yuval Adev, Uri Reinhardt, Louise H.G. Tese, Stevie Wai Wu, Jiahan Lee, James Edgar , Matthew Cusiak, Frank HL Coppins y Edo Kaminer, 11 de junio de 2021, Ciencias.
DOI: 10.1126 / science.abg9015