מידע קוונטי, תקשורת וחישה מסתמכים על יצירה ושליטה של מתאמים קוונטיים בדרגות חופש משלימות. מומחים ברחבי העולם מנסים ליישם ממצאים ממחקר בסיסי בטכנולוגיות קוונטיות.
לפעמים הם דורשים חלקיקים בודדים, כולל פוטונים בעלי תכונות מיוחדות. עם זאת, השגת חלקיקים בודדים היא מאתגרת וקוראת טכניקות מתוחכמות מאוד. אלקטרונים חופשיים כבר משמשים ביישומים רבים להפקת אור, כגון צינורות רנטגן.
במחקר חדש, מדענים מ EPFLהמעבדה של פוטוניקה ומדידה קוונטית, מכון גטינגן מקס פלאנק למדעים רב-תחומיים (MPI-NAT), ואוניברסיטת גטינגן מדגימים שיטה חדשה להפקת פוטונים חללים באמצעות אלקטרונים חופשיים, בצורה של מצבי זוג. הם יצרו זוגות אלקטרונים-פוטונים באמצעות מעגלים פוטוניים משולבים על שבב במיקרוסקופ אלקטרוני.
בניסוי, מדענים מעבירים את האלומה של מיקרוסקופ אלקטרונים על מובנה מובנה שבב פוטוני. השבב מורכב מתהוד מיקרו-טבעת ויציאות פלט של סיבים אופטיים. גישה חדשה זו משתמשת במבנים פוטוניים המיוצרים ב-EPFL עבור ניסויי מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM) שבוצעו ב-MPI-NAT.
ניתן להפיק פוטון בכל פעם שאלקטרון יוצר אינטראקציה עם שדה ההתעלמות של מהוד הטבעת. האלקטרון מאבד את קוונט האנרגיה של a פוטון בודד בתהליך זה תוך הקפדה על עקרונות שימור אנרגיה ומומנטום. המערכת מתפתחת למצב זוג כתוצאה מאינטראקציה זו. זיהוי סימולטני מדויק של אנרגיית האלקטרונים ופוטונים מיוצרים, שהתאפשר באמצעות טכניקת מדידה חדשה שנוצרה, חשף את המצבים הבסיסיים של זוג אלקטרונים-פוטונים.
מלבד התבוננות בתהליך זה בפעם הראשונה ברמת החלקיקים הבודדים, ממצאים אלה מיישמים רעיון חדשני ליצירת פוטון בודד או אלקטרון. באופן ספציפי, מדידת מצב הזוגיות מאפשרת מקורות חלקיקים ידועים, כאשר זיהוי חלקיק אחד מאותת על יצירת החלק השני. זה הכרחי עבור יישומים רבים בטכנולוגיה קוונטית ומוסיף למערכת הכלים ההולכת וגדלה שלה.
קלאוס רופרס, מנהל MPI-NAT, אמר, "השיטה פותחת אפשרויות חדשות מרתקות במיקרוסקופ אלקטרונים. בתחום האופטיקה הקוונטית, זוגות פוטונים מסתבכים כבר משפרים את ההדמיה. עם העבודה שלנו, עכשיו אפשר לחקור מושגים כאלה באמצעות אלקטרונים".
בניסוי, מדענים השתמשו בזוגות אלקטרונים-פוטונים המתואמים שנוצרו לצורך הדמיה במצב פוטוני. הם הצליחו להשיג שיפור ניגודיות של שלושה סדרי גודל.
ד"ר יוג'יה יאנג, פוסט דוקטורט ב-EPFL ומחבר מוביל של המחקר, מוסיף: "אנו מאמינים שלעבודה שלנו יש השפעה מהותית על הפיתוח העתידי במיקרוסקופ אלקטרוני באמצעות רתימה כוחה של הטכנולוגיה הקוונטית".
טוביאס קיפנברג, פרופסור ב-EPFL וראש המעבדה לפוטוניקה ומדידה קוונטית, אמר: "אתגר מיוחד עבור טכנולוגיה קוונטית עתידית הוא איך לממשק מערכות פיזיות שונות. בפעם הראשונה, אנו מביאים אלקטרונים חופשיים לארגז הכלים של מידע קוונטי מַדָע. באופן רחב יותר, צימוד אלקטרונים חופשיים ואור באמצעות פוטוניקה משולבת יכול לפתוח את הדרך לסוג חדש של טכנולוגיות קוונטיות היברידיות".
המחקר עשוי להוביל לתחום המתפתח כיום של אופטיקה קוונטית-אלקטרונית חופשית. זה יכול גם להדגים פלטפורמה ניסיוני רבת עוצמה עבור ספקטרוסקופיה והדמיה אלקטרונים מבוססי אירועים ופוטונים.
Guanhao Huang, Ph.D. סטודנט ב-EPFL ומחבר מוביל של המחקר, אמר, "העבודה שלנו מייצגת צעד קריטי לניצול מושגי אופטיקה קוונטית במיקרוסקופ אלקטרוני. אנו מתכננים לחקור כיוונים עתידיים נוספים כמו מצבים פוטוניים אקזוטיים המבשרים אלקטרונים והפחתת רעש במיקרוסקופ אלקטרונים."
עיון ביומן:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. זוגות אלקטרונים-פוטונים בתיווך חלל. מדע, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
