使用雷射脈衝誘導產生異常的聲波——在貝爾報導140年之後光可以轉換成聲波

2021-01-16 江蘇雷射產業技術創新戰略聯盟

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江蘇雷射聯盟導讀：

光聲波作為熱和聲音的攜帶傳播的載體，控制聲學聲子在需要對納米器件進行操控聲子和熱性質的場合變得越來越重要。尤其是，使用超快光學脈衝產生的光聲波效應在皮秒時間的範圍內來進行光學操控聲子變得非常有潛力。因此，它的機理大多數建立在各向同性介質中的通常的熱彈性膨脹的基礎之上的，這就限制了它的應用。


在本文的研究中，研究人員提出一個新的光聲波效應，包含的結構不穩定性可以用來實現過渡金屬二滷代 VTe2具有帶狀電荷密度波（ ribbon-type charge-density-wave (CDW)）。超快電子顯微照相和衍射分析下揭示了納米尺度的薄膜在光學誘導的瞬間的電荷密度波（CDW）的消失時不同尋常的聲波的產生和傳播。目前的研究結果對光誘導的結構不穩定性作為一個相干聲波源的突出能力。


圖1. 通過材料中的一個結構不穩定性，使用超短雷射脈衝誘導出不同尋常的聲波來


物理學家使用一個超短脈衝的雷射在一片雪花中獲得了初始的不同尋常的聲波，並且據此使用電子顯微成像創造出他們運動的視頻。這一先進的技術將會幫助工程技術人員使用光來實現精密的控制納米器件中的熱流和聲音。


▲圖解：大多數的聲波是縱波（見底部的照片），但有些也會是橫波（見頂部的照片）和導致材料的原子或者分子同旅行的方向垂直方向進行振動。研究人員在薄片的VTe2中成功的產生了橫波的聲波。© 2020 SCIENCE PHOTO LIBRARY

▲圖3. Asuka Nakamura 及其合作者在薄片VTe2中製造出橫向的光聲波，並使用超快電子顯微鏡對其進行了成像


在1880年，亞歷山大 · 貝爾，是電話之父，報導了光在材料中可以轉換成聲波。在140年之後，人們對這一效應產生了濃厚的興趣，這是因為這個理論可以用來控制納米材料中的熱和聲音。


通過實施這一效應，我們可以掌控在納米尺度材料中的熱和聲波，這樣就可以使得我們可以在非常小的器件中產生特殊新穎的功能。


大多數的聲波壓縮和在材料中的拓展是沿著它行進的方向進行——這些稱之為縱波。但有些聲波也會是橫波，會導致材料中的原子或者分子沿著行進方向的垂直方向進行振動，見圖2。


在一個早期的實驗中，曾經使用光來誘導納米材料中的聲波，光加熱材料，導致它在各個方向發生膨脹，由此造成縱向的聲波。如今，Nakamura及其合作者使用不同的機理在薄片VTe2中產生了橫波。


Asuka Nakamura 及其合作者在薄片VTe2中製造出橫向的光聲波，並使用超快電子顯微鏡對其進行了成像。


論文作者Asuka Nakamura


研究人員使用超快雷射脈衝來誘導材料的結構不穩定性，改變材料的晶體結構並產生了橫向的聲波。他們可以通過測量電子衍射來探測出其結構的變化。


據作者介紹，橫向波的產生使得工程人員可以具有更大的靈活性來在工程實踐中加以應用，通過使用這一新的機理，它將有可能在不久的將來在聲波中用來控制原子的位移的方向。


研究團隊在薄片中使用一個特殊的電子影像技術對聲波進行了拍照——這是在日本中僅有兩個機構可以實現，這就意味著這絕非易事，這是因為薄片只有75nm厚，時間解析度只有皮秒的數量級（1皮秒等於10Λ-12秒）。這一超快的電子顯微鏡是當前研究工作中比較重要的一個環節。這一設備使得我們可以使用電子顯微鏡來實現對聲波進行攝像。



研究人員為該技術在顯微分析技術中的潛在應用前景而深感激動，這將使得研究人員可以使用電子衍射來定量的評估聲波的幅度，同時，這一新的系統還可以對結構的磁性和聲波進行可視化觀察。目前，這一研究成果發表在期刊《Nano Letters》上。


後記：亞歷山大 · 貝爾的不平凡

說起亞歷山大 · 貝爾（Alexander Graham Bell），相信大家都不會感到陌生。


作為 「電話之父」，他為人類通信事業做出了巨大的貢獻。他的發明，影響了歷史的走向，也改變了我們每個人的生活。



然而，大家可能並不知道，這位偉大的發明家除了電話之外，還有很多卓越的成就。


比如：

他是一名廣受讚譽的聾啞人教育專家；

他是《國家地理雜誌》和《科學》雜誌的發起人之一；

他是著名作家海倫凱勒的摯友，曾經為其提供過重要幫助；

他發明過用於醫學治療的探針，以及早期的 「人工呼吸器」；

他參與過留聲機的重大改進；

他是著名的伏打實驗室的創始人；

他是 20 世紀最偉大科技企業之一 AT&T 的創始人；

他是航天飛行和航海的愛好者，發明過時速 114 公裡的水翼船；

……

這些成就，被電話的光芒所掩蓋，以至於遭到後人的忽視。


文章來源: 「Nanoscale Imaging of Unusual Photoacoustic Waves in Thin Flake VTe2」 by Asuka Nakamura, Takahiro Shimojima, Yusuke Chiashi, Manabu Kamitani, Hideaki Sakai, Shintaro Ishiwata, Han Li and Kyoko Ishizaka, 28 May 2020, Nano Letters.

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c01006以及 鮮棗課堂 作者：小棗君



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