A l'aide d'un microscope électronique à transmission ultrarapide, des chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont, pour la première fois, ont enregistré la propagation d'ondes sonores et lumineuses combinées dans des matériaux atomiquement minces.

Les expériences ont été réalisées dans le Robert et Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory dirigé par le professeur Ido Kaminer, de la Faculté de génie électrique et informatique Andrew et Erna Viterbi et du Solid State Institute.

Matériaux monocouches, alternativement connus sous le nom de matériaux 2D, sont en eux-mêmes des matériaux nouveaux, solides constitués d'une seule couche d'atomes. Graphène, le premier matériau 2D découvert, a été isolé pour la première fois en 2004, une réalisation qui lui a valu le prix Nobel 2010. Maintenant, pour la première fois, Les scientifiques du Technion montrent comment les impulsions lumineuses se déplacent à l'intérieur de ces matériaux. Leurs découvertes, "Imagerie spatio-temporelle de la dynamique des paquets d'ondes polariton 2D à l'aide d'électrons libres, " ont été publiés dans Science .

La lumière se déplace dans l'espace à 300, 000 km/s. Se déplaçant dans l'eau ou dans le verre, il ralentit d'une fraction. Mais lors du déplacement à travers certains solides à quelques couches, la lumière ralentit presque mille fois. Cela se produit parce que la lumière fait vibrer les atomes de ces matériaux spéciaux pour créer des ondes sonores (également appelées phonons), et ces ondes sonores atomiques créent de la lumière lorsqu'elles vibrent. Ainsi, l'impulsion est en fait une combinaison étroitement liée de son et de lumière, appelé "phonon-polariton". Allumé, le matériau « chante ».

Les scientifiques ont projeté des impulsions lumineuses le long du bord d'un matériau 2D, produisant dans le matériau les ondes hybrides son-lumière. Non seulement ils ont pu enregistrer ces ondes, mais ils ont également découvert que les impulsions peuvent s'accélérer et ralentir spontanément. Étonnamment, les ondes se sont même séparées en deux impulsions distinctes, se déplaçant à des vitesses différentes.

L'expérience a été menée à l'aide d'un microscope électronique à transmission ultrarapide (UTEM). Contrairement aux microscopes optiques et aux microscopes électroniques à balayage, ici, les particules traversent l'échantillon et sont ensuite reçues par un détecteur. Ce processus a permis aux chercheurs de suivre l'onde son-lumière dans une résolution sans précédent, à la fois dans l'espace et dans le temps. La résolution temporelle est de 50 femtosecondes—50X10-15 secondes—le nombre d'images par seconde est similaire au nombre de secondes dans un million d'années.

"L'onde hybride se déplace à l'intérieur du matériau, vous ne pouvez donc pas l'observer à l'aide d'un microscope optique ordinaire, " a expliqué Kurman. " La plupart des mesures de la lumière dans les matériaux 2D sont basées sur des techniques de microscopie qui utilisent des objets en forme d'aiguille qui balayent la surface point par point, mais chaque contact d'aiguille perturbe le mouvement de l'onde que nous essayons d'imager. En revanche, notre nouvelle technique peut imager le mouvement de la lumière sans le perturber. Nos résultats n'auraient pas pu être obtenus avec les méthodes existantes. Donc, en plus de nos découvertes scientifiques, nous présentons une technique de mesure inédite qui sera pertinente pour de nombreuses autres découvertes scientifiques."

Cette étude est née au plus fort de l’épidémie de COVID-19. Pendant les mois de confinement, avec les universités fermées, Yaniv Kurman, un étudiant diplômé du laboratoire du Pr Kaminer, assis à la maison et a fait les calculs mathématiques prédisant comment les impulsions lumineuses devraient se comporter dans les matériaux 2D et comment elles pourraient être mesurées. Pendant ce temps, Raphaël Dahan, un autre étudiant dans le même laboratoire, a réalisé comment focaliser les impulsions infrarouges dans le microscope électronique du groupe et a effectué les mises à niveau nécessaires pour y parvenir. Une fois le confinement terminé, le groupe a pu prouver la théorie de Kurman, et même révéler des phénomènes supplémentaires auxquels ils ne s'attendaient pas.

Bien qu'il s'agisse d'une étude scientifique fondamentale, les scientifiques s'attendent à ce qu'il ait de multiples applications pour la recherche et l'industrie. « Nous pouvons utiliser le système pour étudier différents phénomènes physiques qui ne sont pas accessibles autrement, " a déclaré le professeur Kaminer. "Nous prévoyons des expériences qui mesureront des tourbillons de lumière, expériences en théorie du chaos, et des simulations de phénomènes qui se produisent près des trous noirs. De plus, nos découvertes peuvent permettre la production de "câbles à fibres optiques atomiquement minces, " qui pourraient être placés dans des circuits électriques et transmettre des données sans surchauffer le système - une tâche qui fait actuellement face à des défis considérables en raison de la minimisation des circuits. "

Les travaux de l'équipe initient la recherche d'impulsions lumineuses à l'intérieur d'un nouvel ensemble de matériaux, élargit les capacités des microscopes électroniques, et favorise la possibilité de communication optique à travers des couches atomiquement minces.

"J'ai été ravi de ces découvertes, " a déclaré le professeur Harald Giessen, de l'Université de Stuttgart, qui ne faisait pas partie de cette recherche. "Cela représente une réelle avancée dans la nano-optique ultrarapide, et représente l'état de l'art et la pointe de la frontière scientifique. L'observation dans l'espace réel et en temps réel est belle et a, à ma connaissance, n'a pas été démontré auparavant."

Un autre scientifique éminent non impliqué dans l'étude, John Joannopoulos du Massachusetts Institute of Technology, ajouté que, "La clé de cet accomplissement réside dans la conception et le développement intelligents d'un système expérimental. Ce travail d'Ido Kaminer et de son groupe et de ses collègues est un pas en avant crucial. Il est d'un grand intérêt à la fois scientifiquement et technologiquement, et est d'une importance cruciale pour le domaine."