Usando um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida, pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology têm, pela primeira vez, registrou a propagação de ondas de som e luz combinadas em materiais atomicamente finos.

Os experimentos foram realizados no Laboratório de Dinâmica Quântica de Feixe de Elétrons Robert e Ruth Magid chefiado pelo Professor Ido Kaminer, da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computadores Andrew e Erna Viterbi e do Solid State Institute.

Materiais de camada única, alternativamente conhecidos como materiais 2D, são em si materiais novos, sólidos consistindo em uma única camada de átomos. Grafeno, o primeiro material 2D descoberto, foi isolado pela primeira vez em 2004, uma conquista que rendeu o Prêmio Nobel de 2010. Agora, pela primeira vez, Os cientistas do Technion mostram como os pulsos de luz se movem dentro desses materiais. Suas descobertas, "Spatiotemporal Imaging of 2D Polariton Wavepacket Dynamics Using Free Electrons, "foram publicados em Ciência .

A luz se move pelo espaço em 300, 000 km / s. Movendo-se pela água ou pelo vidro, ele diminui uma fração. Mas ao mover-se através de certos sólidos de poucas camadas, a luz diminui quase mil vezes. Isso ocorre porque a luz faz os átomos desses materiais especiais vibrarem para criar ondas sonoras (também chamados de fônons), e essas ondas sonoras atômicas criam luz quando vibram. Assim, o pulso é, na verdade, uma combinação estritamente ligada de som e luz, chamado de "fonon-polariton". Iluminou, o material "canta".

Os cientistas lançaram pulsos de luz ao longo da borda de um material 2D, produzindo no material as ondas híbridas de som e luz. Eles não só foram capazes de registrar essas ondas, mas também descobriram que os pulsos podem aumentar e diminuir a velocidade espontaneamente. Surpreendentemente, as ondas até mesmo se dividem em dois pulsos separados, movendo-se em velocidades diferentes.

O experimento foi conduzido usando um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida (UTEM). Ao contrário dos microscópios ópticos e microscópios eletrônicos de varredura, aqui as partículas passam pela amostra e são recebidas por um detector. Este processo permitiu aos pesquisadores rastrear a onda de som e luz em resolução sem precedentes, tanto no espaço quanto no tempo. A resolução de tempo é de 50 femtossegundos - 50X10-15 segundos - o número de quadros por segundo é semelhante ao número de segundos em um milhão de anos.

"A onda híbrida se move dentro do material, então você não pode observá-lo usando um microscópio óptico normal, "Kurman explicou." A maioria das medições de luz em materiais 2D são baseadas em técnicas de microscopia que usam objetos semelhantes a agulhas que escaneiam a superfície ponto a ponto, mas todo contato com a agulha perturba o movimento da onda que tentamos imaginar. Em contraste, nossa nova técnica pode imaginar o movimento da luz sem perturbá-lo. Nossos resultados não poderiam ter sido alcançados com os métodos existentes. Então, além de nossas descobertas científicas, apresentamos uma técnica de medição nunca antes vista que será relevante para muitas outras descobertas científicas. "

Este estudo nasceu no auge da epidemia de COVID-19. Nos meses de bloqueio, com as universidades fechadas, Yaniv Kurman, um estudante de graduação no laboratório do Prof. Kaminer, sentou-se em casa e fez os cálculos matemáticos prevendo como os pulsos de luz deveriam se comportar em materiais 2D e como eles poderiam ser medidos. Enquanto isso, Raphael Dahan, outro aluno no mesmo laboratório, percebeu como focalizar pulsos infravermelhos no microscópio eletrônico do grupo e fez as atualizações necessárias para conseguir isso. Uma vez que o bloqueio acabou, o grupo foi capaz de provar a teoria de Kurman, e até mesmo revelar fenômenos adicionais que eles não esperavam.

Embora este seja um estudo científico fundamental, os cientistas esperam que ele tenha múltiplas aplicações de pesquisa e indústria. "Podemos usar o sistema para estudar diferentes fenômenos físicos que não são acessíveis de outra forma, "disse o Prof. Kaminer." Estamos planejando experimentos que medirão vórtices de luz, experimentos na teoria do caos, e simulações de fenômenos que ocorrem perto de buracos negros. Além disso, nossas descobertas podem permitir a produção de cabos de fibra ótica atomicamente finos, "que poderia ser colocado dentro de circuitos elétricos e transmitir dados sem superaquecer o sistema - uma tarefa que atualmente enfrenta desafios consideráveis ​​devido à minimização do circuito."

O trabalho da equipe inicia a pesquisa de pulsos de luz dentro de um novo conjunto de materiais, amplia as capacidades dos microscópios eletrônicos, e promove a possibilidade de comunicação óptica através de camadas atomicamente finas.

"Fiquei emocionado com essas descobertas, "disse o professor Harald Giessen, da Universidade de Stuttgart, que não fez parte desta pesquisa. "Isso representa um verdadeiro avanço em nano-óptica ultrarrápida, e representa o estado da arte e a vanguarda da fronteira científica. A observação em espaço real e em tempo real é linda e tem, no meu conhecimento, não foi demonstrado antes. "

Outro cientista proeminente não envolvido com o estudo, John Joannopoulos do Massachusetts Institute of Technology, adicionou isso, "A chave para essa conquista está no projeto inteligente e no desenvolvimento de um sistema experimental. Este trabalho de Ido Kaminer e seu grupo e colegas é um passo crítico em frente. É de grande interesse científico e tecnológico. e é de importância crítica para o campo. "