Kwantuminformatie, communicatie en waarneming zijn afhankelijk van het genereren en controleren van kwantumcorrelaties in complementaire vrijheidsgraden. Experts over de hele wereld proberen bevindingen uit fundamenteel onderzoek naar kwantumtechnologieën te implementeren.
Soms hebben ze individuele deeltjes nodig, waaronder fotonen met bijzondere eigenschappen. Het verkrijgen van individuele deeltjes is echter een uitdaging en vereist zeer geavanceerde technieken. Vrije elektronen worden al in veel toepassingen gebruikt om licht te produceren, zoals röntgenbuizen.
In een nieuwe studie hebben wetenschappers van EPFL's Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, het Göttingen Max Planck Instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen (MPI-NAT) en de Universiteit van Göttingen demonstreren een nieuwe methode voor het genereren van holtefotonen met behulp van vrije elektronen, in de vorm van paartoestanden. Ze creëerden elektronen-fotonparen met behulp van geïntegreerde fotonische circuits op een chip in een elektronenmicroscoop.
In een experiment laten wetenschappers de straal van een elektronenmicroscoop door een ingebouwde geïntegreerde fotonische chip. De chip bestaat uit een microringresonator en glasvezeluitgangen. Deze nieuwe benadering maakt gebruik van fotonische structuren die zijn gefabriceerd bij EPFL voor transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) -experimenten uitgevoerd bij MPI-NAT.
Een foton kan worden geproduceerd wanneer een elektron interageert met het vacuüm-evanescente veld van de ringresonator. Het elektron verliest het energiekwantum van a enkel foton in dit proces met inachtneming van de principes van behoud van energie en momentum. Het systeem ontwikkelt zich als gevolg van deze interactie tot een paartoestand. De nauwkeurige gelijktijdige detectie van elektronenenergie en geproduceerde fotonen door de wetenschappers, mogelijk gemaakt door een nieuw gecreëerde meettechniek, onthulde de onderliggende elektron-fotonpaartoestanden.
Naast het voor het eerst observeren van dit proces op het niveau van een enkel deeltje, implementeren deze bevindingen een nieuw concept voor het genereren van een enkel foton of elektron. In het bijzonder maakt de meting van de paartoestand aangekondigde deeltjesbronnen mogelijk, waarbij het detecteren van het ene deeltje de generatie van het andere aangeeft. Dit is nodig voor veel toepassingen in de kwantumtechnologie en draagt bij aan de groeiende toolset.
Claus Ropers, MPI-NAT-directeur, zei: “De methode opent fascinerende nieuwe mogelijkheden in de elektronenmicroscopie. Op het gebied van kwantumoptica verbeteren verstrengelde fotonparen al de beeldvorming. Met ons werk kunnen dergelijke concepten nu worden onderzocht met elektronen.”
In experiment gebruikten wetenschappers de gegenereerde gecorreleerde elektron-fotonparen voor beeldvorming in de fotonische modus. Ze waren in staat om een contrastverbetering van drie ordes van grootte te bereiken.
Dr. Yujia Yang, een postdoc bij EPFL en een co-hoofdauteur van de studie, voegt toe: "Wij geloven dat ons werk een substantiële impact heeft op de toekomstige ontwikkeling in elektronenmicroscopie door gebruik te maken van de kracht van kwantumtechnologie. '
Tobias Kippenberg, professor aan EPFL en hoofd van het Laboratorium voor Fotonica en Kwantummeting, zei: "Een bijzondere uitdaging voor toekomstige kwantumtechnologie is hoe verschillende fysieke systemen kunnen worden gekoppeld. Voor het eerst brengen we vrije elektronen in de gereedschapskist van kwantuminformatie wetenschap. Meer in het algemeen zou het koppelen van vrije elektronen en licht met behulp van geïntegreerde fotonica de weg kunnen openen naar een nieuwe klasse van hybride kwantumtechnologieën.”
De studie zou kunnen leiden tot het momenteel opkomende gebied van kwantumoptica met vrije elektronen. Het zou ook een krachtig experimenteel platform kunnen demonstreren voor op gebeurtenissen gebaseerde en fotongestuurde elektronenspectroscopie en beeldvorming.
Guanhao Huang, een Ph.D. student bij EPFL en co-hoofdauteur van de studie, zei, "Ons werk vertegenwoordigt een cruciale stap om kwantumoptica-concepten in elektronenmicroscopie te gebruiken. We zijn van plan verdere toekomstige richtingen te verkennen, zoals door elektronen aangekondigde exotische fotonische toestanden en ruisonderdrukking in elektronenmicroscopie."
Journal Reference:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Door holte gemedieerde elektron-fotonparen. Wetenschap, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/wetenschap.abo5037
