La información, la comunicación y la detección cuánticas se basan en generar y controlar correlaciones cuánticas en grados de libertad complementarios. Expertos de todo el mundo están tratando de implementar los hallazgos de la investigación básica en tecnologías cuánticas.
A veces requieren partículas individuales, incluidos fotones con propiedades especiales. Sin embargo, obtener partículas individuales es un desafío y requiere técnicas muy sofisticadas. Los electrones libres ya se utilizan en muchas aplicaciones para producir luz, como los tubos de rayos X.
En un nuevo estudio, científicos de EPFLEl Laboratorio de Fotónica y Medición Cuántica de Göttingen, el Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias de Göttingen (MPI-NAT) y la Universidad de Göttingen demuestran un método novedoso para generar fotones de cavidad utilizando electrones libres, en forma de pares de estados. Crearon pares de electrones y fotones utilizando circuitos fotónicos integrados en un chip en un microscopio electrónico.
En un experimento, los científicos pasan el haz de un microscopio electrónico en un integrado integrado chip fotónico. El chip consta de un resonador de microanillo y puertos de salida de fibra óptica. Este nuevo enfoque utiliza estructuras fotónicas fabricadas en EPFL para experimentos de microscopio electrónico de transmisión (TEM) realizados en MPI-NAT.
Se puede producir un fotón cada vez que un electrón interactúa con el campo evanescente de vacío del resonador de anillo. El electrón pierde el cuanto de energía de un fotón único en este proceso mientras se adhiere a los principios de conservación de energía y momento. El sistema se desarrolla en un estado de par como resultado de esta interacción. La detección simultánea y precisa de la energía de los electrones y los fotones producidos por parte de los científicos, posible gracias a una técnica de medición recién creada, reveló los estados subyacentes del par electrón-fotón.
Además de observar este proceso por primera vez a nivel de una sola partícula, estos hallazgos implementan un concepto novedoso para generar un solo fotón o electrón. Específicamente, la medición del estado del par permite fuentes de partículas anunciadas, donde la detección de una partícula señala la generación de la otra. Esto es necesario para muchas aplicaciones en tecnología cuántica y se suma a su creciente conjunto de herramientas.
Claus Ropers, director de MPI-NAT, dijo: “El método abre nuevas y fascinantes posibilidades en microscopía electrónica. En el campo de la óptica cuántica, los pares de fotones entrelazados ya mejoran la imagen. Con nuestro trabajo, estos conceptos ahora se pueden explorar con electrones”.
En el experimento, los científicos utilizaron los pares de electrones y fotones correlacionados generados para obtener imágenes en modo fotónico. Pudieron lograr una mejora de contraste de tres órdenes de magnitud.
El Dr. Yujia Yang, postdoctorado en EPFL y coautor principal del estudio, agrega: “Creemos que nuestro trabajo tiene un impacto sustancial en el desarrollo futuro de la microscopía electrónica al aprovechar el poder de la tecnología cuántica."
Tobias Kippenberg, profesor de EPFL y jefe del Laboratorio de Fotónica y Medición Cuántica, dijo: “Un desafío particular para la tecnología cuántica del futuro es cómo interconectar diferentes sistemas físicos. Por primera vez, traemos electrones libres a la caja de herramientas de información cuántica Ciencias. En términos más generales, el acoplamiento de electrones libres y luz mediante fotónica integrada podría abrir el camino a una nueva clase de tecnologías cuánticas híbridas”.
El estudio podría conducir al campo emergente actual de la óptica cuántica de electrones libres. También podría demostrar una potente plataforma experimental para espectroscopia e imagen electrónica basada en eventos y activada por fotones.
Guanhao Huang, un doctorado. estudiante de la EPFL y coautora principal del estudio, dijo, “Nuestro trabajo representa un paso crítico para utilizar conceptos de óptica cuántica en microscopía electrónica. Planeamos explorar otras direcciones futuras como estados fotónicos exóticos anunciados por electrones y reducción de ruido en microscopía electrónica”.
Referencia de la revista:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Pares de electrones y fotones mediados por cavidades. Ciencia:, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/ciencia.abo5037
