Kvantinformatsioon, kommunikatsioon ja taju põhinevad kvantkorrelatsioonide genereerimisel ja kontrollimisel täiendavatel vabadusastmetel. Eksperdid kogu maailmas püüavad rakendada kvanttehnoloogiate alusuuringute tulemusi.
Mõnikord vajavad nad üksikuid osakesi, sealhulgas eriliste omadustega footoneid. Üksikute osakeste hankimine on aga keeruline ja nõuab väga keerukaid tehnikaid. Vabasid elektrone kasutatakse juba paljudes rakendustes valguse tootmiseks, näiteks röntgenitorudes.
Uues uuringus uurisid teadlased EPFLFotoonika ja kvantmõõtmise labor, Göttingeni Max Plancki multidistsiplinaarsete teaduste instituut (MPI-NAT) ja Göttingeni ülikool demonstreerivad uudset meetodit õõnsuste fotonite genereerimiseks vabade elektronide abil paarisoleku kujul. Nad lõid elektron-footoni paarid, kasutades integreeritud fotoonlülitusi elektronmikroskoobi kiibil.
Eksperimendi käigus edastavad teadlased elektronmikroskoobi kiiret sisseehitatud integreeritud seadmel fotooniline kiip. Kiip koosneb mikrorõngasresonaatorist ja optiliste kiudude väljundportidest. See uus lähenemisviis kasutab EPFL-is valmistatud fotoonseid struktuure MPI-NAT-is läbi viidud transmissioonielektronmikroskoobi (TEM) katsete jaoks.
Footon võib tekkida alati, kui elektron interakteerub rõngasresonaatori vaakumhaihtuva väljaga. Elektron kaotab a energiakvanti üksik footon selles protsessis, järgides samal ajal energia ja impulsi säilitamise põhimõtteid. Süsteem areneb selle interaktsiooni tulemusena paarisolekusse. Teadlaste täpne samaaegne elektronenergia ja toodetud footonite tuvastamine, mis sai võimalikuks äsja loodud mõõtmistehnika abil, paljastas aluseks olevad elektron-footoni paari olekud.
Peale selle protsessi esmakordse vaatlemise üksiku osakese tasemel rakendavad need leiud uudset kontseptsiooni ühe footoni või elektroni genereerimiseks. Täpsemalt, paari oleku mõõtmine võimaldab kuulutatud osakeste allikaid, kus ühe osakese tuvastamine annab signaali teise genereerimisest. See on vajalik paljude kvanttehnoloogia rakenduste jaoks ja täiendab selle kasvavat tööriistakomplekti.
MPI-NATi direktor Claus Ropers ütles: "Meetod avab põnevaid uusi võimalusi elektronmikroskoopias. Kvantoptika valdkonnas parandavad takerdunud footonipaarid juba pildistamist. Meie tööga saab selliseid kontseptsioone nüüd elektronidega uurida.
Katses kasutasid teadlased fotoonilise režiimi pildistamiseks genereeritud korreleeritud elektron-footoni paare. Nad suutsid saavutada kolme suurusjärgu kontrastsuse suurendamise.
Dr Yujia Yang, EPFLi järeldoktor ja uuringu kaasautor, lisab: "Usume, et meie tööl on oluline mõju elektronmikroskoopia edasisele arengule, kasutades seda kvanttehnoloogia jõud. "
EPFLi professor ja fotoonika ja kvantmõõtmise labori juhataja Tobias Kippenberg ütles: „Tuleviku kvanttehnoloogia eriliseks väljakutseks on erinevate füüsiliste süsteemide liidestamine. Esimest korda toome vabad elektronid tööriistakasti kvantteave teadus. Laiemas plaanis võib vabade elektronide ja valguse sidumine integreeritud fotoonika abil avada tee uuele hübriidkvanttehnoloogia klassile.
Uuring võib viia praegu tekkiva vabade elektronide kvantoptika valdkonnani. Samuti võib see demonstreerida võimsat eksperimentaalset platvormi sündmustepõhiseks ja footoniga seotud elektronspektroskoopiaks ja pildistamiseks.
Guanhao Huang, Ph.D. EPFLi üliõpilane ja uuringu kaasautor, ütles, "Meie töö on oluline samm kvantoptika kontseptsioonide kasutamiseks elektronmikroskoopias. Plaanime uurida edasisi tulevikusuundi, nagu elektronide poolt kuulutatud eksootilised fotoonilised olekud ja müra vähendamine elektronmikroskoopias.
Ajakirja viide:
- Armin Feist, Guanhao Huang jt. Õõnsuste vahendatud elektron-footon paarid. teadus, 377 (6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
