اطلاعات، ارتباطات و سنجش کوانتومی بر تولید و کنترل همبستگی‌های کوانتومی در درجات آزادی مکمل متکی هستند. کارشناسان در سراسر جهان در تلاش هستند تا یافته‌های حاصل از تحقیقات پایه را در فناوری‌های کوانتومی پیاده‌سازی کنند.
گاهی اوقات آنها به ذرات منفرد از جمله فوتون هایی با خواص ویژه نیاز دارند. با این حال، به دست آوردن ذرات منفرد چالش برانگیز است و تکنیک های بسیار پیچیده ای را می طلبد. الکترون‌های آزاد در حال حاضر در بسیاری از کاربردها برای تولید نور، مانند لوله‌های اشعه ایکس، استفاده می‌شوند.
در یک مطالعه جدید، دانشمندان از EPFLآزمایشگاه فوتونیک و اندازه‌گیری کوانتومی، مؤسسه علوم چندرشته‌ای گوتینگن ماکس پلانک (MPI-NAT) و دانشگاه گوتینگن روش جدیدی را برای تولید فوتون‌های حفره‌ای با استفاده از الکترون‌های آزاد، به شکل حالت‌های جفت نشان می‌دهند. آنها با استفاده از مدارهای فوتونی یکپارچه روی یک تراشه در میکروسکوپ الکترونی جفت الکترون-فوتون ایجاد کردند.
در آزمایشی، دانشمندان پرتوی یک میکروسکوپ الکترونی را روی یک دستگاه یکپارچه داخلی عبور می دهند تراشه فوتونیک. این تراشه از یک تشدید کننده میکرو حلقه و پورت های خروجی فیبر نوری تشکیل شده است. این رویکرد جدید از ساختارهای فوتونی ساخته شده در EPFL برای آزمایش‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) در MPI-NAT استفاده می‌کند.
هر زمان که یک الکترون با میدان فاسد خلاء تشدید کننده حلقه برهمکنش داشته باشد، می توان فوتون تولید کرد. الکترون کوانتوم انرژی a را از دست می دهد تک فوتون در این فرآیند ضمن رعایت اصول بقای انرژی و تکانه. سیستم در نتیجه این تعامل به یک حالت جفت تبدیل می شود. تشخیص همزمان دقیق انرژی الکترون و فوتون های تولید شده توسط دانشمندان، که با روش اندازه گیری جدید ایجاد شده امکان پذیر شد، حالات جفت الکترون- فوتون زیرین را نشان داد.
این یافته ها علاوه بر مشاهده این فرآیند برای اولین بار در سطح تک ذره، مفهوم جدیدی را برای تولید تک فوتون یا الکترون پیاده سازی می کند. به طور خاص، اندازه‌گیری حالت جفت، منابع ذره اعلام شده را قادر می‌سازد، جایی که تشخیص یک ذره سیگنال تولید ذره دیگر را می‌دهد. این برای بسیاری از کاربردها در فناوری کوانتومی ضروری است و به مجموعه ابزار در حال رشد آن می افزاید.
کلاوس روپرز، مدیر MPI-NAT، گفت: این روش امکانات جدید و شگفت انگیزی را در میکروسکوپ الکترونی باز می کند. در زمینه اپتیک کوانتومی، جفت فوتون های درهم تنیده تصویربرداری را بهبود می بخشد. با کار ما، اکنون می توان چنین مفاهیمی را با الکترون ها بررسی کرد.»
در آزمایش، دانشمندان از جفت های همبسته الکترون- فوتون تولید شده برای تصویربرداری حالت فوتونیک استفاده کردند. آنها توانستند به سه مرتبه افزایش کنتراست دست یابند.
دکتر یوجیا یانگ، فوق دکترای EPFL و یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه، می‌افزاید: ما معتقدیم که کار ما تأثیر قابل توجهی بر توسعه آینده در میکروسکوپ الکترونی با مهار کردن دارد قدرت فناوری کوانتومی"
توبیاس کیپنبرگ، استاد EPFL و رئیس آزمایشگاه فوتونیک و اندازه‌گیری کوانتومی، گفت: «یک چالش خاص برای فناوری کوانتومی آینده این است که چگونه سیستم‌های فیزیکی مختلف را به هم متصل کنیم. برای اولین بار، الکترون های آزاد را به جعبه ابزار می آوریم اطلاعات کوانتومی علوم پایه. به طور گسترده تر، جفت شدن الکترون های آزاد و نور با استفاده از فوتونیک یکپارچه می تواند راه را برای کلاس جدیدی از فناوری های کوانتومی ترکیبی باز کند.
این مطالعه می‌تواند به حوزه در حال ظهور اپتیک کوانتومی الکترون آزاد منجر شود. همچنین می‌تواند یک پلت فرم آزمایشی قدرتمند برای طیف‌سنجی و تصویربرداری الکترونی مبتنی بر رویداد و دردار فوتونی را نشان دهد.
Guanhao Huang، Ph.D. دانشجوی EPFL و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت:, کار ما نشان دهنده یک گام مهم برای استفاده از مفاهیم اپتیک کوانتومی در میکروسکوپ الکترونی است. ما قصد داریم جهات بعدی آینده مانند حالت های فوتونی عجیب و غریب اعلام شده توسط الکترون و کاهش نویز در میکروسکوپ الکترونی را بررسی کنیم.
مرجع مجله:
- آرمین فیست، گوانهائو هوانگ و همکاران. جفت الکترون فوتون با واسطه حفره. علم، 377(6607)، 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
