فريق البحث ، من اليسار إلى اليمين: يوفال أديف ، ويانيف كورمان ، والبروفيسور إيدو كامينر ، ورفائيل داهان ، والدكتور كانغبينج وانغ. الائتمان: التخنيون – المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا
سمفونية مكانية ـ زمانية للضوء
باستخدام مجهر إلكتروني فائق السرعة ، سجل الباحثون في التخنيون – المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا ، لأول مرة ، انتشار الموجات الصوتية والضوئية مجتمعة في مواد رقيقة ذريًا.
تم إجراء التجارب في مختبر روبرت و روث ماجيد لديناميكيات شعاع الإلكترون ، برئاسة البروفيسور إيدو كامينر ، وكلية أندرو وإيرنا فيتيربي للهندسة الكهربائية وهندسة الحاسبات ومعهد الحالة الصلبة.
المواد أحادية الطبقة ، والمعروفة أيضًا بالمواد ثنائية الأبعاد ، هي نفسها مواد جديدة ، مواد صلبة تتكون من طبقة واحدة من الذرات. تم عزل الجرافين ، أول مادة ثنائية الأبعاد تم اكتشافها ، لأول مرة في عام 2004 ، وهو إنجاز فاز بجائزة نوبل عام 2010. الآن ، ولأول مرة ، يعرض علماء التخنيون كيف تنتقل نبضات الضوء حول العالم داخل هذه المواد. تم نشر نتائجهم ، “التصوير المكاني والزماني لديناميكيات حزم موجات بولاريتون ثنائية الأبعاد باستخدام الإلكترونات الحرة” ، في العلم بعد الاهتمام الكبير للعديد من العلماء.
رسم توضيحي لموجة ضوء صوتي في مواد ثنائية الأبعاد وقياسها باستخدام الإلكترونات الحرة. الائتمان: التخنيون – المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا
ينتقل الضوء عبر الفضاء بسرعة 300000 كم / ثانية. يتحرك في الماء أو في الزجاج ، فإنه يبطئ بجزء بسيط. ولكن عندما يتحرك خلال بعض المواد الصلبة في طبقات قليلة ، يتباطأ الضوء تقريبًا ألف مرة. يحدث هذا لأن الضوء يهتز ذرات هذه المواد الخاصة لتكوين موجات صوتية (تسمى أيضًا الفونونات) ، وهذه الموجات الصوتية الذرية تخلق ضوءًا عندما تهتز. لذا فإن النبضة هي في الواقع مزيج وثيق الصلة من الصوت والضوء ، يسمى “phonon-polariton”. في ، المواد “تغني”.
توقع العلماء نبضات ضوئية على طول حافة مادة ثنائية الأبعاد ، مما أدى إلى إنتاج موجات ضوئية وصوتية هجينة في المادة. لم يكونوا قادرين على تسجيل هذه الموجات فحسب ، بل وجدوا أيضًا أن النبضات يمكن أن تتسارع تلقائيًا وتبطئ. والمثير للدهشة أن الموجات انقسمت إلى نبضتين منفصلتين تتحرك بسرعات مختلفة.
تم إجراء التجربة باستخدام مجهر إلكتروني فائق السرعة (UTEM). على عكس المجاهر الضوئية والمجاهر الإلكترونية الماسحة ، تمر الجسيمات هنا عبر العينة ثم يتم استقبالها بواسطة الكاشف. سمحت هذه العملية للباحثين بتتبع موجة الصوت والضوء بدقة غير مسبوقة ، في كل من المكان والزمان. الدقة الزمنية هي 50 فيمتوثانية – 50X10-15 ثانية – عدد الإطارات في الثانية مشابه لعدد الثواني في مليون سنة.
https://www.youtube.com/watch؟v=3ooULAbwmLE
وأوضح كورمان أن “الموجة الهجينة تنتقل داخل المادة ، لذا لا يمكنك مراقبتها باستخدام مجهر ضوئي عادي”. تعتمد معظم قياسات الضوء في المواد ثنائية الأبعاد على تقنيات الفحص المجهري التي تستخدم كائنات على شكل إبرة تفحص السطح نقطة تلو الأخرى ، لكن كل تلامس للإبرة يعطل حركة الموجة. نحاول التصوير. من ناحية أخرى ، فإن أسلوبنا الجديد يجعل من الممكن تصوير حركة الضوء دون إزعاجها. لا يمكن الحصول على نتائجنا بالطرق الحالية. وهكذا ، بالإضافة إلى اكتشافاتنا العلمية ، نقدم تقنية قياس جديدة ستكون ذات صلة بالعديد من الاكتشافات العلمية الأخرى. “
وُلدت هذه الدراسة في ذروة وباء COVID-19. خلال أشهر الإغلاق ، عندما أغلقت الجامعات ، جلس يانيف كورمان ، طالب دراسات عليا من مختبر البروفيسور كامينر ، في منزله وأجرى الحسابات الرياضية توقعًا لكيفية تصرف نبضات الضوء في المواد ثنائية الأبعاد وكيف يمكن قياسها. في غضون ذلك ، اكتشف رافائيل دهان ، وهو طالب آخر في نفس المختبر ، كيفية تركيز نبضات الأشعة تحت الحمراء في المجهر الإلكتروني للمجموعة وأجرى الترقيات اللازمة لتحقيق ذلك. بمجرد انتهاء الإغلاق ، تمكنت المجموعة من إثبات نظرية كورمان وحتى الكشف عن ظواهر إضافية لم تكن تتوقعها.
على الرغم من أن هذه دراسة علمية أساسية ، إلا أن العلماء يتوقعون أن يكون لها تطبيقات بحثية وصناعية متعددة. قال البروفيسور كامينر: “يمكننا استخدام النظام لدراسة الظواهر الفيزيائية المختلفة التي لا يمكن الوصول إليها بطريقة أخرى”. “نحن نخطط لتجارب تقيس دوامات الضوء ، وتجارب على نظرية الفوضى ، ومحاكاة الظواهر التي تحدث بالقرب من الثقوب السوداء. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تمكن النتائج التي توصلنا إليها من إنتاج “كبلات” ألياف ضوئية رفيعة ذريًا ، والتي يمكن وضعها في الدوائر الكهربائية ونقل البيانات دون ارتفاع درجة حرارة النظام – وهي مهمة تواجه حاليًا تحديات كبيرة بسبب تقليل الدوائر. “
من اليسار إلى اليمين: يانيف كرمان والبروفيسور إيدو كامينر. الائتمان: التخنيون – المعهد الإسرائيلي للتكنولوجيا
يبدأ عمل الفريق البحث عن نبضات ضوئية ضمن مجموعة جديدة من المواد ، ويوسع قدرات المجاهر الإلكترونية ، ويعزز إمكانية الاتصال البصري من خلال طبقات رقيقة ذريًا.
قال البروفيسور هارالد جيسين من جامعة شتوتجارت ، والذي لم يكن جزءًا من هذا البحث: “لقد سررت بهذه النتائج”. “يمثل هذا اختراقًا حقيقيًا في مجال البصريات النانوية فائقة السرعة ، ويمثل ذلك مثال رائع من الفن و ال حافة رائدة من التخوم العلمية. تعتبر المراقبة في الفضاء الحقيقي وفي الوقت الفعلي رائعة ولم يتم إثباتها من قبل على حد علمي.
وأضاف عالم بارز آخر لم يشارك في الدراسة ، جون جوانوبولوس من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، أن “مفتاح هذا الإنجاز يكمن في التصميم الذكي وتطوير نظام تجريبي. يعد هذا العمل الذي قام به إيدو كامينر ومجموعته وزملاؤه خطوة أساسية إلى الأمام. إنه ذو أهمية كبيرة من الناحيتين العلمية والتكنولوجية ، وله أهمية حاسمة في هذا المجال.
ينتمي البروفيسور كامينر أيضًا إلى مركز Helen Diller Quantum ومعهد Russell Berrie Nanotechnology Institute. أجرى الدراسة طلاب الدكتوراه يانيف كرمان ورفائيل دهان. الأعضاء الآخرون في فريق البحث هم الدكتور كانغبينج وانج ومايكل ياناى ويوفال أديف وأوري راينهاردت. استند البحث إلى تعاون دولي مع مجموعات البروفيسور جيمس إدغار (جامعة ولاية كانساس) ، والبروفيسور ماتيو كوتشياك (جامعة باريس سود) والبروفيسور فرانك كوبينز (ICFO ، معهد برشلونة للعلوم والتكنولوجيا).
المرجع: “التصوير المكاني والزماني لديناميكيات حزم الموجات القطبية ثنائية الأبعاد باستخدام الإلكترونات الحرة” بقلم يانيف كورمان ، رافائيل داهان ، حنان هيرزيغ شينفو ، كانجبينج وانج ، مايكل ياناي ، يوفال أديف ، أوري رينهاردت ، لويز إتش جي تيزي ، ستيفي واي. ، جياهان لي ، جيمس هـ.إدغار ، ماتيو كوتشياك ، فرانك إتش إل كوبينز وإيدو كامينر ، 11 يونيو 2021 ، العلم.
DOI: 10.1126 / science.abg9015
