Gruppo di ricerca, LR: Yuval Adev, Yaniv Korman, il professor Ido Kaminer, Raphael Dahan e il dottor Kangping Wang. Credito: Technion – Israel Institute of Technology

Sinfonia spaziotemporale della luce

Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce, i ricercatori del Technion – Israel Institute of Technology hanno, per la prima volta, registrato la propagazione combinata delle onde sonore e luminose in materiali atomicamente sottili.

Gli esperimenti sono stati condotti nel Robert and Ruth Magid Laboratory of Electron Beam Dynamics, guidato dal professor Ido Kaminer, dell’Andrew and Erna Viterbi College of Electrical and Computer Engineering e del Solid State Institute.

I materiali monostrato, noti anche come materiali bidimensionali, sono essi stessi nuovi materiali, materiali solidi costituiti da un singolo strato di atomi. Il grafene, il primo materiale bidimensionale scoperto, è stato isolato per la prima volta nel 2004, un’impresa che ha vinto il Premio Nobel 2010. Ora, per la prima volta, gli scienziati del Technion stanno mostrando come si muovono gli impulsi di luce all’interno di questi materiali. Le loro scoperte, “Imaging spaziotemporale della dinamica bidimensionale del pacchetto d’onda Polariton utilizzando elettroni liberi” sono pubblicate in Scienza Dopo grande interesse da parte di molti studiosi.

Illustrazione di un’onda luminosa acustica in materiali 2D e sua misurazione mediante elettroni liberi. Credito: Technion – Israel Institute of Technology

La luce si muove nello spazio a una velocità di 300.000 km/s. Si muove attraverso l’acqua o il vetro, rallentando la sua velocità di una frazione. Ma quando viaggia attraverso alcuni dei pochi solidi stratificati, la luce rallenta di circa mille volte. Ciò accade 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. Quindi, l’impulso è in realtà una miscela strettamente legata di suono e luce, chiamata ‘fonone-polaritone’. Acceso, il materiale “canta”.

Gli scienziati hanno lanciato impulsi luminosi lungo il bordo di un materiale bidimensionale, producendo nel materiale luce ibrida e onde sonore. Non solo sono stati in grado di registrare queste onde, ma hanno anche scoperto che gli impulsi possono accelerare e rallentare automaticamente. Sorprendentemente, le onde si sono divise in due impulsi separati, muovendosi a velocità diverse.

L’esperimento è stato eseguito utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce (UTEM). A differenza dei microscopi ottici e dei microscopi elettronici a scansione, qui le particelle passano attraverso il campione e vengono poi ricevute dal rivelatore. Questo processo ha permesso ai ricercatori di tracciare l’onda sonora e luminosa con una precisione senza precedenti, sia nello spazio che nel tempo. La precisione del tempo 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 è possibile osservarla con un normale microscopio ottico”, ha spiegato Corman. 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 con l’ago impedisce il movimento dell’onda che stiamo cercando di riprendere. Al contrario, la nostra nuova tecnologia può fotografare il movimento della luce senza disturbarla. I nostri risultati non possono essere raggiunti con i metodi attuali. Pertanto, oltre alle nostre scoperte scientifiche, introduciamo una tecnica di misurazione mai vista prima e che sarà rilevante per molte scoperte scientifiche”.

Questo studio è nato al culmine dell’epidemia di COVID-19. Nei mesi di blocco, con la chiusura delle università, Yaniv Corman, uno studente laureato nel laboratorio del professor Kaminer, si è seduto a casa ed ha eseguito calcoli matematici per prevedere come si comporteranno gli impulsi luminosi nei materiali bidimensionali e come potrebbero essere misurati. Nel frattempo, Raphael Dahan, un altro studente nello stesso laboratorio, ha capito come mettere a fuoco gli impulsi infrarossi in un microscopio elettronico a matrice e ha apportato gli aggiornamenti necessari per realizzarlo. Una volta terminato il blocco, il gruppo è stato in grado di dimostrare la teoria di Korman e persino di rivelare ulteriori fenomeni che non si aspettavano.

Sebbene questo sia uno studio scientifico di base, gli scienziati si aspettano che abbia molteplici applicazioni di ricerca e industriali. “Possiamo utilizzare il sistema per studiare vari fenomeni fisici a cui non è possibile accedere in altro modo”, ha affermato il professor Kaminer. “Stiamo pianificando esperimenti che misurano i vortici di luce, esperimenti sulla teoria del caos e simulano fenomeni che si verificano vicino ai buchi neri. Inoltre, i nostri risultati potrebbero consentire la produzione di “cavi” ottici atomicamente sottili, che possono essere collocati all’interno di circuiti elettrici e trasmettere dati senza surriscaldamento del sistema, un’attività che attualmente deve affrontare sfide significative a causa della riduzione del circuito.

Da sinistra a destra: Yaniv Kerman e il prof. Ido Kaminer. Credito: Technion – Israel Institute of Technology

Il lavoro del team inizia la ricerca di impulsi luminosi all’interno di una nuova gamma di materiali, espande le capacità dei microscopi elettronici e migliora la possibilità di comunicazione ottica attraverso strati sottili atomici.

“Sono rimasto soddisfatto di questi risultati”, ha affermato il professor Harald Jessen, dell’Università di Stoccarda, che non ha preso parte a questa ricerca. “Questo rappresenta una vera svolta nel campo della nano-ottica ultraveloce e rappresenta all’avanguardia e il bordo d’attacco dalla frontiera scientifica. L’osservazione nello spazio reale e in tempo reale è bellissima e non è stata dimostrata prima, per quanto ne so”.

Un altro eminente scienziato non coinvolto nello studio, John Guanopoulos del Massachusetts Institute of Technology, ha aggiunto: “La chiave di questo risultato è la progettazione intelligente e lo sviluppo di un sistema sperimentale. Questo lavoro di Edo Kaminer, del suo gruppo e dei colleghi è un importante passo avanti. È di grande importanza sotto entrambi gli aspetti scientifico e tecnologico, ed è di fondamentale importanza in questo campo. “

Il professor Kaminer appartiene anche all’Helen Diller Quantum Center e al Russell Berry Institute for Nanotechnology. Lo studio è stato condotto dal Ph.D. Gli studenti Yaniv Karman e Raphael Dahan. Altri membri del gruppo di ricerca sono il Dr. Kangping Wang, Michael Yanai, Yuval Adev e Uri Reinhardt. La ricerca si è basata su una collaborazione internazionale con i gruppi del professor James Edgar (Kansas State University), del professor Matteo Kociac (University of Southern Paris) e del professor Frank Coppins (Barcelona Institute of Science and Technology).

Riferimento: “Imaging spaziotemporale della dinamica del pacchetto d’onda 2D utilizzando elettroni liberi” di 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 e Edo Kaminer, 11 giugno 2021, Scienza.
DOI: 10.1126 / science.abg9015