Pulsos de luz y sonido observados en movimiento en materiales 2D

Ilustración de una onda de luz y sonido en materiales 2D y su medición utilizando electrones libres - TEKNION

   MADRID, 14 Jun. (EUROPA PRESS) -

   En un avance de la nanoóptica, investigadores del Technion - Instituto de Tecnología de Israel han observado pulsos de luz y sonido en materiales 2D --de espesor atómico-- por primera vez.

   Utilizando un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida, la investigación captó la propagación de ondas de luz y sonido combinadas en materiales con un grosor de tan solo un átomo.

   Los materiales de una sola capa, también conocidos como materiales 2D, son en sí mismos materiales novedosos, sólidos que consisten en una sola capa de átomos. El grafeno, el primer material 2D descubierto, se aisló por primera vez en 2004, un logro que le valió el Premio Nobel de 2010. Ahora, por primera vez, los científicos del Technion muestran cómo los pulsos de luz se mueven dentro de estos materiales. Sus hallazgos se publicaron en Science.

   La luz se mueve por el espacio a 300.000 km/s. moviéndose a través del agua o del vidrio, se ralentiza una fracción. Pero cuando se mueve a través de ciertos sólidos de pocas capas, la luz se ralentiza casi mil veces. Esto ocurre porque la luz hace que los átomos de estos materiales especiales vibren para crear ondas sonoras (también llamadas fonones), y estas ondas sonoras atómicas crean luz cuando vibran. Por lo tanto, el pulso es en realidad una combinación estrechamente unida de sonido y luz, llamada "fonón-polaritón". Encendido, el material "canta".

   Los científicos hicieron brillar pulsos de luz a lo largo del borde de un material 2D, produciendo en el material las ondas híbridas de luz y sonido. No solo pudieron registrar estas ondas, sino que también descubrieron que los pulsos pueden acelerarse y desacelerarse espontáneamente. Sorprendentemente, las ondas incluso se dividen en dos pulsos separados, que se mueven a diferentes velocidades.

   El experimento se llevó a cabo utilizando un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida (UTEM). A diferencia de los microscopios ópticos y los microscopios electrónicos de barrido, aquí las partículas pasan a través de la muestra y luego son recibidas por un detector. Este proceso permitió a los investigadores rastrear la onda de luz y sonido con una resolución sin precedentes, tanto en el espacio como en el tiempo. La resolución de tiempo es de 50 femtosegundos, 50X10-15 segundos, el número de fotogramas por segundo es similar al número de segundos en un millón de años.

   "La onda híbrida se mueve dentro del material, por lo que no se puede observar con un microscopio óptico normal", explicó en un comunicado el investigador principal, Yanniv Kurman. "La mayoría de las mediciones de luz en materiales 2D se basan en técnicas de microscopía que utilizan objetos similares a agujas que escanean la superficie punto por punto, pero cada contacto de estas agujas perturba el movimiento de la onda que intentamos obtener. En contraste, nuestra nueva técnica puede obtener imágenes del movimiento de la luz sin perturbarlo. Nuestros resultados no podrían haberse logrado con los métodos existentes. Por lo tanto, además de nuestros hallazgos científicos, presentamos una técnica de medición nunca antes vista que será relevante para muchos más descubrimientos científicos. "

   Si bien este es un estudio científico fundamental, los científicos esperan que tenga múltiples aplicaciones de investigación y de la industria. "Podemos utilizar el sistema para estudiar diferentes fenómenos físicos que de otro modo no serían accesibles", dijo el profesor y couator Ido Kaminer. "Estamos planeando experimentos que medirán vórtices de luz, experimentos en la teoría del caos y simulaciones de fenómenos que ocurren cerca de los agujeros negros. Además, nuestros hallazgos pueden permitir la producción de" cables "de fibra óptica atómicamente delgados, que podrían colocarse en cables eléctricos circuitos y transmitir datos sin sobrecalentar el sistema, una tarea que actualmente enfrenta desafíos considerables debido a la minimización de circuitos ".

   El trabajo del equipo inicia la investigación de pulsos de luz dentro de un nuevo conjunto de materiales, amplía las capacidades de los microscopios electrónicos y promueve la posibilidad de comunicación óptica a través de capas atómicamente delgadas.