Kvanteinformation, kommunikation og sansning er afhængig af generering og kontrol af kvantekorrelationer i komplementære frihedsgrader. Eksperter verden over forsøger at implementere resultater fra grundforskning i kvanteteknologier.
Nogle gange kræver de individuelle partikler, herunder fotoner med særlige egenskaber. Men at få individuelle partikler er udfordrende og kalder meget sofistikerede teknikker. Frie elektroner bruges allerede i mange applikationer til at producere lys, såsom røntgenrør.
I en ny undersøgelse har forskere fra EPFL's Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT) og University of Göttingen demonstrerer en ny metode til at generere hulrumsfotoner ved hjælp af frie elektroner i form af partilstande. De skabte elektron-foton-par ved hjælp af integrerede fotoniske kredsløb på en chip i et elektronmikroskop.
I et eksperiment sender videnskabsmænd strålen fra et elektronmikroskop på en indbygget integreret fotonisk chip. Chippen består af en mikroringresonator og optiske fiberudgangsporte. Denne nye tilgang bruger fotoniske strukturer fremstillet ved EPFL til transmissionselektronmikroskop (TEM) eksperimenter udført ved MPI-NAT.
En foton kan produceres, når en elektron interagerer med ringresonatorens vakuum-evanescerende felt. Elektronen mister energikvanten af a enkelt foton i denne proces og samtidig overholde principperne for energi- og momentumbevarelse. Systemet udvikler sig til en partilstand som et resultat af denne interaktion. Forskernes nøjagtige samtidige detektion af elektronenergi og producerede fotoner, muliggjort af en nyoprettet måleteknik, afslørede de underliggende elektron-foton-partilstande.
Udover at observere denne proces for første gang på enkeltpartikelniveau, implementerer disse resultater et nyt koncept til generering af en enkelt foton eller elektron. Specifikt muliggør målingen af partilstanden bebudede partikelkilder, hvor detektering af en partikel signalerer genereringen af den anden. Dette er nødvendigt for mange applikationer inden for kvanteteknologi og tilføjer til dets voksende værktøjssæt.
Claus Ropers, MPI-NAT-direktør, sagde, ”Metoden åbner for fascinerende nye muligheder inden for elektronmikroskopi. Inden for kvanteoptik forbedrer sammenfiltrede fotonpar allerede billeddannelsen. Med vores arbejde kan sådanne begreber nu udforskes med elektroner."
I eksperimentet brugte forskere de genererede korrelerede elektron-foton-par til fotonisk billeddannelse. De var i stand til at opnå en kontrastforbedring af tre størrelsesordener.
Dr. Yujia Yang, en postdoc ved EPFL og medforfatter af undersøgelsen, tilføjer: "Vi mener, at vores arbejde har en væsentlig indflydelse på den fremtidige udvikling inden for elektronmikroskopi ved at udnytte kraften ved kvanteteknologi".
Tobias Kippenberg, professor ved EPFL og leder af Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, sagde: "En særlig udfordring for fremtidens kvanteteknologi er, hvordan man interfacer forskellige fysiske systemer. For første gang bringer vi frie elektroner ind i værktøjskassen af kvanteinformation videnskab. Mere generelt kan kobling af frie elektroner og lys ved hjælp af integreret fotonik åbne vejen for en ny klasse af hybride kvanteteknologier."
Undersøgelsen kan føre til det aktuelt fremvoksende felt af fri-elektron kvanteoptik. Det kunne også demonstrere en kraftfuld eksperimentel platform til begivenhedsbaseret og foton-styret elektronspektroskopi og billeddannelse.
Guanhao Huang, en ph.d. studerende ved EPFL og medforfatter af undersøgelsen, sagde, "Vores arbejde repræsenterer et kritisk skridt til at udnytte kvanteoptikkoncepter i elektronmikroskopi. Vi planlægger at udforske yderligere fremtidige retninger såsom elektron-bebudede eksotiske fotoniske tilstande og støjreduktion i elektronmikroskopi."
Journal Reference:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Kavitetsmedierede elektron-foton-par. Videnskab377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
