Wykorzystując instrument SLAC do ultraszybkiej dyfrakcji elektronów (MeV-UED), jedno z wiodących na świecie narzędzi laboratoryjnych do ultraszybkiej nauki, naukowcy odkryli, w jaki sposób ultracienki materiał może polaryzować kołowo światło. Odkrycie to wyznacza obiecujące podejście do manipulowania światłem do zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych. Źródło: SciTechDaily.com
Naukowcy z SLAC National Accelerator Laboratory odkryli nowe zachowania ultracienkiego materiału, które mogą zrewolucjonizować urządzenia optoelektroniczne.
Za pomocą szybkiej kamery elektronowej zaobserwowali, jak ditellurek wolframu polaryzuje światło terahercowy promieniowania, potencjalnie ulepszając urządzenia stosowane w diodach LED, obrazowaniu medycznym i nie tylko. Ta przełomowa praca może doprowadzić do opracowania mniejszych, wielofunkcyjnych urządzeń optoelektronicznych poprzez układanie dwuwymiarowych materiałów.
Robiąc zdjęcia szybką „kamerą elektronową” w Narodowym Laboratorium Akceleratorów SLAC Departamentu Energii, naukowcy odkryli nowe zachowanie ultracienkiego materiału, które oferuje obiecujące podejście do manipulowania światłem, które będzie przydatne w urządzeniach wykrywających, kontrolujących lub emitują światło, zwane łącznie urządzeniami optoelektronicznymi, i bada, w jaki sposób światło jest polaryzowane w materiale. Urządzenia optoelektroniczne są wykorzystywane w wielu technologiach mających wpływ na nasze codzienne życie, w tym w diodach elektroluminescencyjnych (LED), światłowodach i obrazowaniu medycznym.
Jak podano w dzienniku Nano Listyzespół kierowany przez SLAC i profesora Aarona Lindenberga ze Stanford odkrył, że zorientowany w określonym kierunku i poddany liniowemu promieniowaniu terahercowemu ultracienki film z ditelluru wolframu, który ma pożądane właściwości polaryzujące światło stosowane w urządzeniach optycznych, polaryzuje kołowo wchodzące światło.
Migawka wykonana szybką kamerą elektronową SLAC, instrumentem do ultraszybkiej dyfrakcji elektronów (MeV-UED), przedstawiająca dowody polaryzacji kołowej światła terahercowego przez ultracienką próbkę ditelluku wolframu. Źródło: Sie i in., Nano Letters, 8 maja 2024 r
Promieniowanie terahercowe: klucz do optoelektroniki nowej generacji
Promieniowanie terahercowe leży pomiędzy obszarami mikrofalowymi i podczerwonymi w widmie elektromagnetycznym i umożliwia nowatorskie sposoby charakteryzowania i kontrolowania właściwości materiałów. Naukowcy chcieliby znaleźć sposób na wykorzystanie tego światła do opracowania przyszłych urządzeń optoelektronicznych.
Uchwycenie zachowania materiału w świetle terahercowym wymaga zaawansowanego instrumentu zdolnego do rejestrowania interakcji przy ultraszybkich prędkościach, a wiodący na świecie instrument SLAC do ultraszybkiej dyfrakcji elektronów (MeV-UED) na źródle światła spójnego Linac (LCLS) właśnie to może zrobić. Podczas gdy MeV-UED jest zwykle używany do wizualizacji ruchu atomów poprzez pomiar sposobu, w jaki rozpraszają one elektrony po uderzeniu próbki wiązką elektronów, w tej nowej pracy wykorzystano femtosekundowe impulsy elektronów do wizualizacji pól elektrycznych i magnetycznych przychodzących impulsów terahercowych. co spowodowało, że elektrony poruszały się tam i z powrotem. W badaniu na polaryzację kołową wskazano obrazy elektronów, które pokazywały raczej kołowy wzór niż linię prostą.
Ta ilustracja pokazuje, jak elektrony poruszały się po okręgu (po prawej) po uderzeniu cienkiego materiału (w środku) liniowo spolaryzowanym promieniowaniem terahercowym (po lewej). Źródło: Sie i in., Nano Letters, 8 maja 2024 r
Ultracienki materiał miał zaledwie 50 nanometrów grubości. „Jest od 1000 do 10 000 razy cieńszy niż to, czego zwykle potrzebujemy do wywołania tego typu reakcji” – powiedział Lindenberg.
Przyszłe zastosowania i innowacje
Naukowcy są podekscytowani możliwością wykorzystania tych ultracienkich materiałów, zwanych materiałami dwuwymiarowymi (2D), do zmniejszania rozmiarów urządzeń optoelektronicznych i zapewniania większej liczby funkcji. Przewidują tworzenie urządzeń z warstw struktur 2D, na przykład układanie klocków Lego, powiedział Lindenberg. Każda struktura 2D składałaby się z innego materiału, precyzyjnie dopasowanego w celu wygenerowania określonego rodzaju odpowiedzi optycznej. Te różne struktury i funkcje można łączyć w kompaktowe urządzenia, które mogą znaleźć potencjalne zastosowania – na przykład w obrazowaniu medycznym lub innych typach urządzeń optoelektronicznych.
„Ta praca stanowi kolejny element w naszym zestawie narzędzi do manipulowania polami światła terahercowego, co z kolei może pozwolić na opracowanie nowych sposobów ciekawego kontrolowania materiałów i urządzeń” – powiedział Lindenberg.
Odniesienie: „Giant Terahertz Birfringence in an Ultrathin Anizotropic Semimetal” autorstwa Edberta J. Sie, Mohameda AK Othmana, Clary M. Nyby, Das Pemmaraju, Christina AC Garcia, Yaxian Wang, Burak Guzelturk, Chenyi Xia, Jun Xiao, Andrey Poletayev, Benjamin K. Ofori-Okai, Matthias C. Hoffmann, Suji Park, Xiaozhe Shen, Jie Yang, Renkai Li, Alexander H. Reid, Stephen Weathersby, Philipp Muscher, Nathan Finney, Daniel Rhodes, Luis Balicas, Emilio Nanni, James Hone, William Chueh, Thomas P. Devereaux, Prineha Narang, Tony F. Heinz, Xijie Wang i Aaron M. Lindenberg, 8 maja 2024 r., Nanolitery.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00758
Badanie zostało wsparte przez Biuro Naukowe DOE i wykorzystano zasoby Krajowego Naukowego Centrum Obliczeniowego Badań nad Energią (NERSC). LCLS i NERSC to udogodnienia użytkownika DOE Office of Science.
