納米光學技術的突破：研究人員首次在二維材料中觀察到聲光脈衝

來自以色列理工學院的研究人員利用一台超高速透射電子顯微鏡，首次記錄了組合聲波和光波在原子級薄材料中的傳播。 實驗是在安德魯和厄納-維特比電氣與計算機工程學院和固體研究所的伊多-卡米納教授領導的羅伯特和魯思-馬吉德電子束量子動力學實驗室進行的。

單層材料，又稱二維材料，本身就是一種新型材料，它是由單層原子組成的固體。石墨烯是第一個被發現的二維材料，於2004年首次被分離出來，這一成就獲得了2010年的諾貝爾獎。現在，以色列理工學院的科學家們首次展示了光脈衝如何在這些材料內部移動。他們的研究結果"利用自由電子對二維偏振子波包動態進行時空成像"在許多科學家的極大興趣下發表在《科學》上。

二維材料中的聲光波及其使用自由電子測量的圖解。資料來源：以色列理工學院（Technion - Israel Institute of Technology

光以30萬公里/秒的速度在空間移動。在水或玻璃中移動時，它的速度會減慢一小部分。但是當移動通過某些幾層的固體時，光的速度幾乎減慢了一千倍。這是因為光使這些特殊材料的原子振動，產生聲波（也稱為聲子），而這些原子聲波在振動時產生光。因此，脈衝實際上是聲音和光的緊密結合，稱為 “聲子-極子”。點亮後，該材料就會開始"歌唱"了。

科學家們沿着一種二維材料的邊緣照射光脈衝，在材料中產生聲光混合波。他們不僅能夠記錄這些波，而且還發現這些脈衝能夠自發地加速和減慢。令人驚訝的是，這些波甚至分裂成兩個獨立的脈衝，以不同的速度移動。

該實驗是使用超高速透射電子顯微鏡（UTEM）進行的。與光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡相反，這裏的粒子穿過樣品，然後被一個探測器接收。這個過程使研究人員能夠以前所未有的分辨率跟蹤聲光波，無論是在空間上還是時間上。時間分辨率為50飛秒--50X10-15秒--每秒的幀數類似於一百萬年的秒數。

“混合波在材料內部移動，所以你不能用普通的光學顯微鏡觀察它，“研究生Yaniv Kurman解釋説。“大多數對二維材料中的光的測量都是基於顯微鏡技術，該技術使用針狀物體在表面上逐點掃描，但每一個這樣的針狀接觸都會干擾我們試圖成像的波的運動。相反，我們的新技術可以在不干擾光的運動的情況下成像。我們的結果不可能用現有的方法來實現。因此，除了我們的科學發現之外，我們還提出了一種以前未曾見過的測量技術，它將與更多的科學發現相關。”

這項研究是在COVID-19疫情最嚴重的時候誕生的。在大學關閉的幾個月裏，Kaminer教授實驗室的研究生Yaniv Kurman坐在家裏進行數學計算，預測光脈衝在二維材料中應該如何表現以及如何進行測量。同時，同一實驗室的另一名學生Raphael Dahan意識到如何將紅外脈衝聚焦到該小組的電子顯微鏡中，併為實現這一目標進行了必要的升級。一旦封鎖結束，該小組就能夠證明Kurman的理論，甚至揭示出他們沒有想到的其他現象。

雖然這是一項基礎科學研究，但科學家們期望它能有多種研究和工業應用。“我們可以使用該系統來研究不同的物理現象，而這些現象是其他方式無法獲得的，“Kaminer教授説。“我們正在計劃進行測量光的渦流的實驗，混沌理論的實驗，以及對黑洞附近發生的現象進行模擬。此外，我們的發現可能允許生產原子級薄的光纖 “電纜”，它可以被放置在電路中，在不使系統過熱的情況下傳輸數據--由於電路最小化，這項任務目前正面臨着相當大的挑戰。”

該團隊的工作啓動了對一組新型材料內部的光脈衝的研究，擴大了電子顯微鏡的能力，並促進了通過原子薄層進行光通信的可能性。

斯圖加特大學的Harald Giessen教授説：“我對這些發現感到非常興奮，他沒有參與這項研究。“這提出了超快納米光學的真正突破，並代表了科學前沿的技術水平和領先優勢。在真實的空間和即時的觀察能力據我所知，以前沒有被證明過。”

另一位沒有參與這項研究的知名科學家，來自麻省理工學院的John Joannopoulos補充説：“這項成就的關鍵在於巧妙地設計和開發一個實驗系統。Ido Kaminer和他的小組及其同事的這項工作是向前邁出的關鍵一步。它在科學上和技術上都有很大的意義，對該領域具有至關重要的意義”。