纳米光学技术的突破：研究人员首次在二维材料中观察到声光脉冲

来自以色列理工学院的研究人员利用一台超高速透射电子显微镜，首次记录了组合声波和光波在原子级薄材料中的传播。 实验是在安德鲁和厄纳-维特比电气与计算机工程学院和固体研究所的伊多-卡米纳教授领导的罗伯特和鲁思-马吉德电子束量子动力学实验室进行的。

单层材料，又称二维材料，本身就是一种新型材料，它是由单层原子组成的固体。石墨烯是第一个被发现的二维材料，于2004年首次被分离出来，这一成就获得了2010年的诺贝尔奖。现在，以色列理工学院的科学家们首次展示了光脉冲如何在这些材料内部移动。他们的研究结果"利用自由电子对二维偏振子波包动态进行时空成像"在许多科学家的极大兴趣下发表在《科学》上。

二维材料中的声光波及其使用自由电子测量的图解。资料来源：以色列理工学院（Technion - Israel Institute of Technology

光以30万公里/秒的速度在空间移动。在水或玻璃中移动时，它的速度会减慢一小部分。但是当移动通过某些几层的固体时，光的速度几乎减慢了一千倍。这是因为光使这些特殊材料的原子振动，产生声波（也称为声子），而这些原子声波在振动时产生光。因此，脉冲实际上是声音和光的紧密结合，称为 “声子-极子”。点亮后，该材料就会开始"歌唱"了。

科学家们沿着一种二维材料的边缘照射光脉冲，在材料中产生声光混合波。他们不仅能够记录这些波，而且还发现这些脉冲能够自发地加速和减慢。令人惊讶的是，这些波甚至分裂成两个独立的脉冲，以不同的速度移动。

该实验是使用超高速透射电子显微镜（UTEM）进行的。与光学显微镜和扫描电子显微镜相反，这里的粒子穿过样品，然后被一个探测器接收。这个过程使研究人员能够以前所未有的分辨率跟踪声光波，无论是在空间上还是时间上。时间分辨率为50飞秒--50X10-15秒--每秒的帧数类似于一百万年的秒数。

“混合波在材料内部移动，所以你不能用普通的光学显微镜观察它，“研究生Yaniv Kurman解释说。“大多数对二维材料中的光的测量都是基于显微镜技术，该技术使用针状物体在表面上逐点扫描，但每一个这样的针状接触都会干扰我们试图成像的波的运动。相反，我们的新技术可以在不干扰光的运动的情况下成像。我们的结果不可能用现有的方法来实现。因此，除了我们的科学发现之外，我们还提出了一种以前未曾见过的测量技术，它将与更多的科学发现相关。”

这项研究是在COVID-19疫情最严重的时候诞生的。在大学关闭的几个月里，Kaminer教授实验室的研究生Yaniv Kurman坐在家里进行数学计算，预测光脉冲在二维材料中应该如何表现以及如何进行测量。同时，同一实验室的另一名学生Raphael Dahan意识到如何将红外脉冲聚焦到该小组的电子显微镜中，并为实现这一目标进行了必要的升级。一旦封锁结束，该小组就能够证明Kurman的理论，甚至揭示出他们没有想到的其他现象。

虽然这是一项基础科学研究，但科学家们期望它能有多种研究和工业应用。“我们可以使用该系统来研究不同的物理现象，而这些现象是其他方式无法获得的，“Kaminer教授说。“我们正在计划进行测量光的涡流的实验，混沌理论的实验，以及对黑洞附近发生的现象进行模拟。此外，我们的发现可能允许生产原子级薄的光纤 “电缆”，它可以被放置在电路中，在不使系统过热的情况下传输数据--由于电路最小化，这项任务目前正面临着相当大的挑战。”

该团队的工作启动了对一组新型材料内部的光脉冲的研究，扩大了电子显微镜的能力，并促进了通过原子薄层进行光通信的可能性。

斯图加特大学的Harald Giessen教授说：“我对这些发现感到非常兴奋，他没有参与这项研究。“这提出了超快纳米光学的真正突破，并代表了科学前沿的技术水平和领先优势。在真实的空间和实时的观察能力据我所知，以前没有被证明过。”

另一位没有参与这项研究的知名科学家，来自麻省理工学院的John Joannopoulos补充说：“这项成就的关键在于巧妙地设计和开发一个实验系统。Ido Kaminer和他的小组及其同事的这项工作是向前迈出的关键一步。它在科学上和技术上都有很大的意义，对该领域具有至关重要的意义”。