Innovatives Experiment nimmt “Schnappschüsse” von Licht auf, hält Licht an und nutzt Licht, um Eigenschaften von Materie zu verändern

0

Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000.000 Metern pro Sekunde als Lichtteilchen, Photonen, oder gleichwertig als elektromagnetische Feldwellen.

Experimente unter der Leitung von Hrvoje Petek, einem R.K. Mellon-Professor in der Abteilung für Physik und Astronomie, untersuchten Ideen rund um den Ursprung des Lichts, nahmen Schnappschüsse des Lichts auf, stoppten das Licht und nutzten es, um Eigenschaften der Materie zu verändern.
Petek arbeitete mit Studenten und Mitarbeitern von Prof.

Chen-Bin (Robin) Huang von der Nationalen Tsing Hua Universität in Taiwan, und Atsushi Kubo von der Tsukuba Universität in Japan an den Experimenten.

Ihre Ergebnisse wurden in der Publikation “Plasmonic topological quasiparticle on the nanometre and femtosecond scales” (Plasmonische topologische Quasiteilchen auf der Nanometer- und Femtosekundenskala) veröffentlicht, die in der Ausgabe der Zeitschrift Nature vom 24. Dezember 2020 erschienen ist.

Petek würdigte den Doktoranden Yanan Dai für seine Voraussicht und seine Arbeit in diesem Prozess.
“Die Krönung der Forschung ist jedoch, dass Yanan, der die Experimente durchführte und die theoretische Modellierung lieferte, zeigte, dass er weit über das Niveau seines Professors hinaus ausgebildet war und die nanofemto topologischen Eigenschaften und Wechselwirkungen von optischen Feldern prägnant interpretieren konnte”, sagte er.
Das Team führte ein ultraschnelles Mikroskopie-Experiment durch, bei dem sie grüne Lichtpulse von 20 fs (2×10-14 s) Dauer als zusammengesetzte Licht-Elektronendichte-Fluktuationswellen, bekannt als Oberflächenplasmon-Polaritonen, einfingen und ihre Ausbreitung auf einer Silberoberfläche mit Lichtgeschwindigkeit abbildeten.

Aber sie taten dies mit einem Twist, so dass die Lichtwellen von zwei Seiten zusammenkamen, um einen Lichtwirbel zu bilden, bei dem die Lichtwellen um einen stationären gemeinsamen Kern als Wellenwirbel zu zirkulieren scheinen.

Sie konnten einen Film davon erzeugen, wie Lichtwellen auf der Nanometer (10-9 m)-Wellenlängenskala umherwirbeln, indem sie Elektronen abbildeten, die zwei zusammenkommende Lichtphotonen aus der Oberfläche ausstoßen.
Sammelt man all diese Elektronen mit einem Elektronenmikroskop ein, entstehen Bilder, an denen das Licht vorbeigelaufen ist, und so können die Forscher ihren Schnappschuss machen. Natürlich kann man keinen Schnappschuss machen, wenn nichts schneller ist als das Licht, aber indem man zwei Lichtpulse mit einem in 10-16 s-Schritten erweiterten zeitlichen Abstand einsendet, konnte man abbilden, wie Lichtwellen zusammenkommen und ihre gemeinsame Amplitude an festen Punkten im Raum ansteigen und abfallen lassen und so einen Lichtwirbel auf der Nano- (10-9 m) – Femto- (10-15 s) Skala bilden.
Solche Lichtwirbel bilden sich, wenn Sie mit Ihrem roten oder grünen Laserpointer auf eine raue Oberfläche leuchten und eine Fleckenreflexion sehen, aber sie haben auch eine kosmologische Bedeutung.

Die Lichtwirbelfelder können möglicherweise Übergänge in der quantenmechanischen Phasenordnung in Festkörpermaterialien bewirken, so dass sich die transformierte Materialstruktur und ihr Spiegelbild nicht mehr überlagern lassen.

Mit anderen Worten: Der Sinn der Wirbelrotation erzeugt zwei Materialien, die topologisch verschieden sind.
Petek sagte, dass solche topologischen Phasenübergänge an der Spitze der physikalischen Forschung stehen, weil man annimmt, dass sie für einige Aspekte der Struktur des Universums verantwortlich sind.
“Sogar von den Naturkräften, einschließlich des Lichts, nimmt man an, dass sie als symmetriebrechende Übergänge eines ursprünglichen Feldes entstanden sind.

Die Fähigkeit, die optischen Felder und plasmonischen Wirbel im Experiment aufzuzeichnen, eröffnet daher den Weg, ultraschnelle mikroskopische Studien von verwandten lichtinitiierten Phasenübergängen in Materialien kondensierter Materie im Labormaßstab durchzuführen”, sagte er.
Referenz: “Plasmonische topologische Quasiteilchen auf der Nanometer- und Femtosekundenskala” 24. Dezember 2020, Nature.

Share.

Leave A Reply