A kvantuminformáció, a kommunikáció és az érzékelés a kvantumkorrelációk létrehozására és szabályozására támaszkodik egymást kiegészítő szabadsági fokokon. Szakértők világszerte próbálják megvalósítani az alapkutatások eredményeit a kvantumtechnológiákban.
Néha egyedi részecskéket igényelnek, beleértve a különleges tulajdonságokkal rendelkező fotonokat is. Az egyes részecskék megszerzése azonban kihívást jelent, és nagyon kifinomult technikákat igényel. A szabad elektronokat már számos alkalmazásban használják fény előállítására, például röntgencsövekben.
Egy új tanulmányban a tudósok a EPFLA fotonikai és kvantummérési laboratórium, a Göttingeni Max Planck Multidiszciplináris Tudományok Intézete (MPI-NAT) és a Göttingeni Egyetem egy új módszert mutat be üregfotonok szabad elektronok felhasználásával, páros állapotok formájában történő előállítására. Elektron-foton párokat hoztak létre integrált fotonikus áramkörök segítségével egy elektronmikroszkóp chipjén.
Egy kísérlet során a tudósok egy elektronmikroszkóp sugarát adják át egy beépített integrált eszközön fotonikus chip. A chip mikrogyűrűs rezonátorból és optikai szálas kimeneti portokból áll. Ez az új megközelítés EPFL-ben gyártott fotonikus struktúrákat használ az MPI-NAT-on végzett transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) kísérletekhez.
Foton akkor keletkezhet, amikor egy elektron kölcsönhatásba lép a gyűrűrezonátor vákuum evanescens mezőjével. Az elektron elveszti a energiakvantumát egyetlen foton ebben a folyamatban az energia- és lendületmegmaradás elveinek betartása mellett. A rendszer ennek a kölcsönhatásnak a következtében páros állapotba kerül. A tudósok az elektronenergia és a keletkezett fotonok pontos egyidejű detektálása, amelyet egy újonnan létrehozott mérési technika tette lehetővé, feltárta a mögöttes elektron-foton pár állapotokat.
Amellett, hogy ezt a folyamatot először egyetlen részecske szinten figyelték meg, ezek az eredmények egy újszerű koncepciót valósítanak meg egy foton vagy elektron előállítására. Pontosabban, a pár állapot mérése lehetővé teszi a beharangozott részecskeforrásokat, ahol az egyik részecske észlelése jelzi a másik keletkezését. Ez a kvantumtechnológia számos alkalmazásához szükséges, és kiegészíti a növekvő eszközkészletet.
Claus Ropers, az MPI-NAT igazgatója elmondta: „A módszer lenyűgöző új lehetőségeket nyit meg az elektronmikroszkópiában. A kvantumoptika területén az összegabalyodott fotonpárok már javítják a képalkotást. Munkánk révén az ilyen fogalmak elektronokkal is felfedezhetők.”
A kísérlet során a tudósok a generált korrelált elektron-foton párokat használták a fotonikus módú képalkotáshoz. Három nagyságrendű kontrasztjavítást tudtak elérni.
Dr. Yujia Yang, az EPFL posztdoktora és a tanulmány társszerzője hozzáteszi: „Úgy gondoljuk, hogy munkánk jelentős hatással van az elektronmikroszkópia jövőbeni fejlesztésére a hasznosítás révén a kvantumtechnológia ereje. "
Tobias Kippenberg, az EPFL professzora és a Fotonikai és Kvantummérési Laboratórium vezetője elmondta: „A jövő kvantumtechnológiája számára különös kihívást jelent a különböző fizikai rendszerek összekapcsolása. Első alkalommal hozzuk be a szabad elektronokat az eszköztárba kvantuminformáció tudomány. Tágabb értelemben a szabad elektronok és a fény összekapcsolása integrált fotonika segítségével megnyithatja az utat a hibrid kvantumtechnológiák új osztálya felé.
A tanulmány a szabadelektronos kvantumoptika jelenleg feltörekvő területéhez vezethet. Hatékony kísérleti platformot is demonstrálhat eseményalapú és fotonkapu elektronspektroszkópiához és képalkotáshoz.
Guanhao Huang, Ph.D. az EPFL hallgatója és a tanulmány társszerzője, mondott, „Munkánk kritikus lépést jelent a kvantumoptikai koncepciók elektronmikroszkópos hasznosításában. További jövőbeli irányok feltárását tervezzük, mint például az elektronok által beharangozott egzotikus fotonikus állapotok és az elektronmikroszkópos zajcsökkentés.”
Journal Reference:
- Armin Feist, Guanhao Huang és társai. Üreg által közvetített elektron-foton párok. Tudomány, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
