Οι κβαντικές πληροφορίες, η επικοινωνία και η αίσθηση βασίζονται στη δημιουργία και τον έλεγχο κβαντικών συσχετισμών σε συμπληρωματικούς βαθμούς ελευθερίας. Οι ειδικοί σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να εφαρμόσουν ευρήματα από τη βασική έρευνα στις κβαντικές τεχνολογίες.
Μερικές φορές απαιτούν μεμονωμένα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των φωτονίων με ειδικές ιδιότητες. Ωστόσο, η απόκτηση μεμονωμένων σωματιδίων είναι πρόκληση και απαιτεί πολύ περίπλοκες τεχνικές. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται ήδη σε πολλές εφαρμογές για την παραγωγή φωτός, όπως οι σωλήνες ακτίνων Χ.
Σε μια νέα μελέτη, επιστήμονες από EPFLΤο Εργαστήριο Φωτονικής και Κβαντικής Μέτρησης του Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT) και το Πανεπιστήμιο του Göttingen επιδεικνύουν μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία φωτονίων κοιλότητας χρησιμοποιώντας ελεύθερα ηλεκτρόνια, με τη μορφή καταστάσεων ζεύγους. Δημιούργησαν ζεύγη ηλεκτρονίων-φωτονίων χρησιμοποιώντας ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα σε ένα τσιπ σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο.
Σε ένα πείραμα, οι επιστήμονες περνούν τη δέσμη ενός ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σε ένα ενσωματωμένο ενσωματωμένο φωτονικό τσιπ. Το τσιπ αποτελείται από αντηχείο μικροδακτυλίου και θύρες εξόδου οπτικών ινών. Αυτή η νέα προσέγγιση χρησιμοποιεί φωτονικές δομές που κατασκευάζονται στο EPFL για πειράματα με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης (TEM) που εκτελούνται στο MPI-NAT.
Ένα φωτόνιο μπορεί να παραχθεί κάθε φορά που ένα ηλεκτρόνιο αλληλεπιδρά με το παροδικό πεδίο του κενού του συντονιστή δακτυλίου. Το ηλεκτρόνιο χάνει το ενεργειακό κβάντο του α μονό φωτόνιο σε αυτή τη διαδικασία, ενώ τηρούνται οι αρχές διατήρησης της ενέργειας και της ορμής. Το σύστημα εξελίσσεται σε κατάσταση ζεύγους ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης. Η ακριβής ταυτόχρονη ανίχνευση της ενέργειας ηλεκτρονίων και των παραγόμενων φωτονίων από τους επιστήμονες, που έγινε δυνατή με μια νέα τεχνική μέτρησης, αποκάλυψε τις υποκείμενες καταστάσεις ζεύγους ηλεκτρονίων-φωτονίων.
Εκτός από την παρατήρηση αυτής της διαδικασίας για πρώτη φορά σε επίπεδο μεμονωμένων σωματιδίων, αυτά τα ευρήματα εφαρμόζουν μια νέα ιδέα για τη δημιουργία ενός μόνο φωτονίου ή ηλεκτρονίου. Συγκεκριμένα, η μέτρηση της κατάστασης του ζεύγους επιτρέπει τις αναγγελόμενες πηγές σωματιδίων, όπου η ανίχνευση ενός σωματιδίου σηματοδοτεί τη δημιουργία του άλλου. Αυτό είναι απαραίτητο για πολλές εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία και προσθέτει στο αυξανόμενο σύνολο εργαλείων της.
Ο Claus Ropers, Διευθυντής του MPI-NAT, είπε, «Η μέθοδος ανοίγει συναρπαστικές νέες δυνατότητες στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Στον τομέα της κβαντικής οπτικής, τα μπερδεμένα ζεύγη φωτονίων βελτιώνουν ήδη την απεικόνιση. Με τη δουλειά μας, τέτοιες έννοιες μπορούν τώρα να εξερευνηθούν με ηλεκτρόνια».
Στο πείραμα, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν τα δημιουργημένα συσχετισμένα ζεύγη ηλεκτρονίων-φωτονίων για απεικόνιση φωτονικού τρόπου. Κατάφεραν να επιτύχουν ενίσχυση της αντίθεσης τριών τάξεων μεγέθους.
Ο Δρ Yujia Yang, μεταδιδάκτορας στο EPFL και συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, προσθέτει: «Πιστεύουμε ότι η δουλειά μας έχει ουσιαστικό αντίκτυπο στη μελλοντική ανάπτυξη της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας με αξιοποίηση η δύναμη της κβαντικής τεχνολογίας. "
Ο Tobias Kippenberg, καθηγητής στο EPFL και επικεφαλής του Εργαστηρίου Φωτονικής και Κβαντικής Μέτρησης, είπε: «Μια ιδιαίτερη πρόκληση για τη μελλοντική κβαντική τεχνολογία είναι ο τρόπος διασύνδεσης διαφορετικών φυσικών συστημάτων. Για πρώτη φορά, φέρνουμε ελεύθερα ηλεκτρόνια στην εργαλειοθήκη του κβαντικές πληροφορίες επιστήμη. Γενικότερα, η σύζευξη ελεύθερων ηλεκτρονίων και φωτός χρησιμοποιώντας ολοκληρωμένη φωτονική θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο σε μια νέα κατηγορία υβριδικών κβαντικών τεχνολογιών».
Η μελέτη θα μπορούσε να οδηγήσει στο αναδυόμενο σήμερα πεδίο της κβαντικής οπτικής ελεύθερων ηλεκτρονίων. Θα μπορούσε επίσης να επιδείξει μια ισχυρή πειραματική πλατφόρμα για φασματοσκοπία και απεικόνιση ηλεκτρονίων με βάση γεγονότα και πύλη φωτονίων.
Guanhao Huang, Ph.D. φοιτητής στο EPFL και συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, είπε, «Η εργασία μας αντιπροσωπεύει ένα κρίσιμο βήμα για τη χρήση των εννοιών της κβαντικής οπτικής στην ηλεκτρονική μικροσκοπία. Σκοπεύουμε να εξερευνήσουμε περαιτέρω μελλοντικές κατευθύνσεις όπως εξωτικές φωτονικές καταστάσεις που προαναγγέλλονται από ηλεκτρονικά και μείωση θορύβου στην ηλεκτρονική μικροσκοπία».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Ζεύγη ηλεκτρονίων-φωτονίων που προκαλούνται από κοιλότητα. Επιστήμη377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
