연구원들은 처음으로 2D 재료에서 광-음향 펄스를 감지합니다.

빛의 시공간 교향곡

Technion-Israel Institute of Technology의 연구원들은 초고속 투과 전자 현미경을 사용하여 원자 적으로 얇은 물질에서 음파와 광파의 결합 된 전파를 처음으로 기록했습니다.

실험은 Andrew and Erna Viterbi College of Electrical and Computer Engineering and the Solid State Institute의 Ido Kaminer 교수가 이끄는 전자빔 역학의 Robert and Ruth Magid 실험실에서 수행되었습니다.

2 차원 재료로도 알려진 단층 재료는 그 자체로 새로운 재료, 단일 원자 층으로 구성된 고체 재료입니다. 최초로 발견 된 2 차원 물질 인 그래 핀은 2004 년에 처음으로 분리되어 2010 년 노벨상을 수상한 공적을 남겼습니다. 이제 Technion 과학자들은 처음으로 이러한 물질 내에서 광 펄스가 어떻게 움직이는 지 보여주고 있습니다. “자유 전자를 이용한 2 차원 Polariton Wavepacket 역학의 시공간적 이미징”은 과학 많은 학자들의 큰 관심 끝에.

2D 재료의 음향 광파 그림과 자유 전자를 사용한 측정. 출처 : Technion-Israel Institute of Technology

빛은 300,000km / s의 속도로 우주를 통과합니다. 물이나 유리를 통해 이동하여 속도를 조금 느리게 만듭니다. 그러나 몇 개의 층이있는 고체 중 일부를 통과 할 때 빛은 대략 천 배 정도 느려집니다. 이것은 빛이 이러한 특수 물질의 원자를 진동시켜 음파 (포논이라고도 함)를 생성하고 이러한 원자 음파가 진동 할 때 빛을 생성하기 때문에 발생합니다. 따라서 펄스는 실제로 ‘포논 폴라 리톤’이라고하는 소리와 빛의 밀접하게 결합 된 혼합물입니다. 조명, 소재 “노래”.

과학자들은 2 차원 물질의 가장자리를 따라 광 펄스를 던져서 물질에서 하이브리드 빛과 음파를 생성했습니다. 그들은 이러한 파동을 기록 할 수 있었을뿐만 아니라 펄스가 자동으로 속도를 높이거나 낮출 수 있음을 발견했습니다. 놀랍게도 파동은 서로 다른 속도로 움직이는 두 개의 개별 펄스로 나뉩니다.

실험은 초고속 투과 전자 현미경 (UTEM)을 사용하여 수행되었습니다. 광학 현미경 및 주사 전자 현미경과 달리 여기서 입자는 샘플을 통과 한 다음 검출기에 의해 수신됩니다. 이 과정을 통해 연구원들은 공간과 시간 모두에서 전례없는 정확도로 소리와 광파를 추적 할 수있었습니다. 시간 정확도는 50 펨토초-50X10-15 초-초당 프레임 수는 백만년의 초 수와 유사합니다.

“하이브리드 파동은 재료 내부에서 움직이기 때문에 일반 광학 현미경으로는 관찰 할 수 없습니다.”라고 Corman은 설명했습니다. 2D 재료에서 대부분의 빛 측정은 표면을 점별로 스캔하는 바늘 모양의 물체를 사용하는 현미경 기술에 의존하지만 각 바늘 접촉은 이미지화하려는 파도의 움직임을 방해합니다. 반대로 우리의 신기술은 빛의 움직임을 방해하지 않고 촬영할 수 있습니다. 현재의 방법으로는 결과를 얻을 수 없습니다. 따라서 우리의 과학적 발견 외에도 이전에는 볼 수 없었던 측정 기술을 도입하고 많은 과학적 발견과 관련이있을 것입니다.”

이 연구는 COVID-19 유행이 절정에 달했을 때 탄생했습니다. 폐쇄 된 몇 달 동안 대학이 문을 닫고 Kaminer 교수의 연구실의 대학원생 인 Yaniv Corman은 집에 앉아 수학적 계산을 수행하여 광 펄스가 2 차원 물질에서 어떻게 작용하고 측정 될 수 있는지 예측했습니다. 한편, 같은 실험실의 다른 학생 인 Raphael Dahan은 어레이 전자 현미경으로 적외선 펄스를 집중시키는 방법을 깨달았고이를 실현하기 위해 필요한 업그레이드를 수행했습니다. 봉쇄가 끝나면 그룹은 Korman의 이론을 증명할 수 있었고 예상치 못한 추가 현상도 드러 낼 수있었습니다.

이것은 기본적인 과학적 연구이지만 과학자들은 여러 연구 및 산업적 응용을 기대합니다. Kaminer 교수는 “우리는이 시스템을 사용하여 다른 방법으로는 접근 할 수없는 다양한 물리적 현상을 연구 할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “우리는 빛의 소용돌이를 측정하는 실험, 카오스 이론 실험, 블랙홀 근처에서 발생하는 현상을 시뮬레이션하는 실험을 계획하고 있습니다. 또한 우리의 연구 결과는 전기 회로 내부에 배치하고 데이터를 전송할 수있는 원자 적으로 얇은 광학 케이블 ‘을 생성 할 수 있습니다. 시스템 과열없이-현재 회로 감소로 인해 심각한 문제에 직면하고있는 작업입니다. “

L-R : Yaniv Kerman 및 Ido Kaminer 교수. 출처 : Technion-Israel Institute of Technology

이 팀의 작업은 새로운 재료 배열 내에서 광 펄스 검색을 시작하고 전자 현미경의 기능을 확장하며 원자 박막을 통한 광통신 가능성을 향상시킵니다.

이 연구에 참여하지 않은 슈투트가르트 대학의 Harald Jessen 교수는 “이러한 결과에 만족했습니다.”라고 말했습니다. “이것은 초고속 나노 광학 분야의 진정한 돌파구를 나타내며 최첨단 그리고 머리말 과학의 경계에서. 실제 공간과 실시간 관찰은 아름답고 제가 아는 한 이전에 입증 된 적이 없습니다.”

이 연구에 참여하지 않은 또 다른 저명한 과학자 인 매사추세츠 공과 대학의 John Guanopoulos는“이 업적의 핵심은 실험 시스템의 지능적인 설계와 개발입니다. Edo Kaminer와 그의 그룹 및 동료들이 수행 한이 작업은 매우 중요합니다. 과학적, 기술적 측면 모두에서 매우 중요하며이 분야에서 가장 중요합니다.”

Kaminer 교수는 Helen Diller Quantum Center와 Russell Berry Institute for Nanotechnology에도 소속되어 있습니다. 이 연구는 Ph.D. 학생 Yaniv Karman과 Raphael Dahan. 연구팀의 다른 구성원은 Dr. Kangping Wang, Michael Yanai, Yuval Adev 및 Uri Reinhardt입니다. 이 연구는 James Edgar 교수 (캔자스 주립 대학교), Matteo Kociac 교수 (남부 파리 대학교), Frank Coppins 교수 (바르셀로나 과학 기술 연구소)와의 국제 협력을 기반으로했습니다.

참조 : 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 Edgar의 “자유 전자를 사용한 2D 파동 패킷 역학의 시공간 이미징” , Matthew Cusiak, Frank HL Coppins 및 Edo Kaminer, 2021 년 6 월 11 일, 과학.
DOI : 10.1126 / science.abg9015