研究人员首次在二维材料中观察到声光脉冲

以色列理工学院的研究人员使用超快透射电子显微镜，首次记录了声波和光波在原子级薄材料中的传播。实验是在罗伯特和露丝马吉德电子束量子动力学实验室进行的，该实验室由安德鲁和厄娜维特比电气与计算机工程学院和固态研究所的 Ido Kaminer 教授领导。

单层材料，也称为二维材料，本身就是一种新型材料，即由单层原子组成的固体。石墨烯是第一个被发现的二维材料，于 2004 年首次被分离出来，这一成就获得了 2010 年的诺贝尔奖。现在，以色列理工学院的科学家们第一次展示了光脉冲如何在这些材料内部移动。他们的研究结果“使用自由电子对二维极化波包动力学进行时空成像”发表在《科学》杂志上。

光以 300,000 公里/秒的速度穿过空间。通过水或玻璃移动，它会减慢一小部分。但是当穿过某些几层固体时，光速会减慢近千倍。这是因为光使这些特殊材料的原子振动以产生声波(也称为声子)，而这些原子声波在振动时会产生光。因此，脉冲实际上是声音和光的紧密结合，称为“声子极化子”。点亮，材料“唱歌”。

科学家们沿着二维材料的边缘发射光脉冲，在材料中产生混合声光波。他们不仅能够记录这些波，而且还发现这些脉冲可以自发地加速和减速。令人惊讶的是，这些波甚至分裂成两个独立的脉冲，以不同的速度移动。

使用超快透射电子显微镜(UTM)进行实验。与光学显微镜和扫描电子显微镜相反，这里的粒子穿过样品，然后被检测器接收。这一过程使研究人员能够以前所未有的分辨率在空间和时间上跟踪声光波。时间分辨率为50飞秒——50X10-15秒——每秒的帧数类似于百万年的秒数。

“混合波在材料内部移动，所以你不能用普通的光学显微镜观察它，”库尔曼解释说。“大多数二维材料中的光测量基于显微镜技术，这些技术使用针状物体逐点扫描表面，但每次这种针状接触都会干扰我们试图成像的波的运动。相比之下，我们的新技术可以在不干扰光的情况下对光的运动进行成像。使用现有方法无法获得我们的结果。因此，除了我们的科学发现之外，我们还提出了一种以前从未见过的测量技术，它将与更多的科学发现相关。 ”

这项研究诞生于 流行的高峰期。在封锁的几个月里，随着大学关闭，卡米纳教授实验室的研究生亚尼夫·库尔曼 (Yaniv Kurman)坐在家里进行数学计算，预测光脉冲在 2D 材料中的表现以及如何测量它们。与此同时，同一实验室的另一名学生拉斐尔·达汉 (Raphael Dahan) 了解了如何将红外脉冲聚焦到小组的电子显微镜中，并进行了必要的升级以实现这一目标。一旦封锁结束，该小组就能够证明库尔曼的理论，甚至揭示出他们没有预料到的其他现象。

虽然这是一项基础科学研究，但科学家们希望它有多种研究和工业应用。Kaminer 教授说：“我们可以使用该系统来研究其他无法访问的不同物理现象。” “我们正在计划测量光漩涡的实验、混沌理论的实验以及黑洞附近现象的模拟。此外，我们的发现可能允许生产原子级细的光纤“电缆”，它可以放置在电电路并在不使系统过热的情况下传输数据——由于电路最小化，这项任务目前面临着相当大的挑战。”

该团队的工作启动了对一组新型材料内的光脉冲的研究，拓宽了电子显微镜的能力，并促进了通过原子级薄层进行光通信的可能性。

“我对这些发现感到非常兴奋，”斯图加特大学的 Harald Giessen 教授说，他没有参与这项研究。“这代表了超快纳米光学的真正突破，代表了最先进的技术和科学前沿的前沿。真实空间和实时的观察是美丽的，据我所知，以前从未被证明过。 ”

另一位没有参与这项研究的著名科学家、麻省理工学院的约翰·乔安诺普洛斯补充说：“这项成就的关键在于实验系统的巧妙设计和开发。这项工作由 Ido Kaminer 和他的团队以及同事们完成。向前迈出的关键一步。它在科学和技术上都具有重要意义，并且对该领域至关重要。”

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