Informasi kuantum, komunikasi, dan penginderaan bergantung pada pembangkitan dan pengendalian korelasi kuantum dalam derajat kebebasan yang saling melengkapi. Para ahli di seluruh dunia mencoba menerapkan temuan dari penelitian dasar ke dalam teknologi kuantum.
Terkadang mereka membutuhkan partikel individu, termasuk foton dengan sifat khusus. Namun, mendapatkan partikel individu itu menantang dan membutuhkan teknik yang sangat canggih. Elektron bebas sudah digunakan dalam banyak aplikasi untuk menghasilkan cahaya, seperti tabung sinar-X.
Dalam sebuah studi baru, para ilmuwan dari EPFLLaboratorium Fotonik dan Pengukuran Kuantum, Institut Ilmu Multidisiplin Göttingen Max Planck (MPI-NAT), dan Universitas Göttingen mendemonstrasikan metode baru untuk menghasilkan foton rongga menggunakan elektron bebas, dalam bentuk keadaan pasangan. Mereka menciptakan pasangan elektron-foton menggunakan sirkuit fotonik terintegrasi pada sebuah chip di mikroskop elektron.
Dalam sebuah eksperimen, para ilmuwan melewatkan berkas mikroskop elektron pada perangkat terintegrasi chip fotonik. Chip ini terdiri dari resonator cincin mikro dan port keluaran serat optik. Pendekatan baru ini menggunakan struktur fotonik yang dibuat di EPFL untuk percobaan mikroskop elektron transmisi (TEM) yang dilakukan di MPI-NAT.
Sebuah foton dapat dihasilkan setiap kali elektron berinteraksi dengan medan cepat berlalu dr ingatan vakum resonator cincin. Elektron kehilangan kuantum energi a foton tunggal dalam proses ini dengan tetap berpegang pada prinsip kekekalan energi dan momentum. Sistem berkembang menjadi keadaan berpasangan sebagai akibat dari interaksi ini. Deteksi simultan yang akurat dari para ilmuwan dari energi elektron dan foton yang dihasilkan, dimungkinkan oleh teknik pengukuran yang baru dibuat, mengungkapkan keadaan pasangan elektron-foton yang mendasarinya.
Selain mengamati proses ini untuk pertama kalinya pada tingkat partikel tunggal, temuan ini menerapkan konsep baru untuk menghasilkan foton atau elektron tunggal. Secara khusus, pengukuran keadaan pasangan memungkinkan sumber partikel yang digembar-gemborkan, di mana mendeteksi satu partikel memberi sinyal generasi yang lain. Ini diperlukan untuk banyak aplikasi dalam teknologi kuantum dan menambah perangkat yang berkembang.
Claus Ropers, Direktur MPI-NAT, mengatakan, “Metode ini membuka kemungkinan baru yang menarik dalam mikroskop elektron. Di bidang optik kuantum, pasangan foton terjerat sudah meningkatkan pencitraan. Dengan pekerjaan kami, konsep seperti itu sekarang dapat dieksplorasi dengan elektron.”
Dalam percobaan, para ilmuwan menggunakan pasangan elektron-foton berkorelasi yang dihasilkan untuk pencitraan mode fotonik. Mereka mampu mencapai peningkatan kontras tiga kali lipat.
Yujia Yang, seorang postdoc di EPFL dan salah satu penulis utama studi ini, menambahkan: “Kami percaya pekerjaan kami memiliki dampak besar pada pengembangan masa depan dalam mikroskop elektron dengan memanfaatkan kekuatan teknologi kuantum. "
Tobias Kippenberg, profesor di EPFL dan kepala Laboratorium Fotonik dan Pengukuran Kuantum, mengatakan, “Tantangan khusus untuk teknologi kuantum masa depan adalah bagaimana menghubungkan sistem fisik yang berbeda. Untuk pertama kalinya, kami membawa elektron bebas ke dalam kotak peralatan informasi kuantum sains. Lebih luas lagi, menggabungkan elektron bebas dan cahaya menggunakan fotonik terintegrasi dapat membuka jalan ke kelas baru teknologi kuantum hibrida.”
Studi ini dapat mengarah pada bidang optik kuantum elektron bebas yang saat ini muncul. Itu juga bisa menunjukkan platform eksperimental yang kuat untuk spektroskopi dan pencitraan elektron berbasis peristiwa dan foton.
Guanhao Huang, seorang Ph.D. mahasiswa di EPFL dan penulis utama studi ini, tersebut, “Pekerjaan kami merupakan langkah penting untuk memanfaatkan konsep optik kuantum dalam mikroskop elektron. Kami berencana untuk mengeksplorasi arah masa depan lebih lanjut seperti keadaan fotonik eksotis yang digembar-gemborkan elektron dan pengurangan kebisingan dalam mikroskop elektron.”
Referensi Jurnal:
- Armin Feist, Guanhao Huang, dkk. Pasangan elektron-foton yang dimediasi rongga. Ilmu, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
