Kvanteinformasjon, kommunikasjon og sansing er avhengig av generering og kontroll av kvantekorrelasjoner i komplementære frihetsgrader. Eksperter over hele verden prøver å implementere funn fra grunnleggende forskning på kvanteteknologier.
Noen ganger krever de individuelle partikler, inkludert fotoner med spesielle egenskaper. Men å få individuelle partikler er utfordrende og kaller veldig sofistikerte teknikker. Frie elektroner brukes allerede i mange applikasjoner for å produsere lys, for eksempel røntgenrør.
I en ny studie har forskere fra EPFL's Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT), og University of Göttingen demonstrerer en ny metode for å generere hulromsfotoner ved bruk av frie elektroner, i form av partilstander. De skapte elektron-foton-par ved hjelp av integrerte fotoniske kretser på en brikke i et elektronmikroskop.
I et eksperiment passerer forskere strålen fra et elektronmikroskop på en innebygd integrert fotonisk brikke. Brikken består av en mikroringresonator og optiske fiberutgangsporter. Denne nye tilnærmingen bruker fotoniske strukturer produsert ved EPFL for transmisjonselektronmikroskop (TEM) eksperimenter utført ved MPI-NAT.
Et foton kan produseres når et elektron interagerer med ringresonatorens vakuum-evanescerende felt. Elektronet mister energikvanten til a enkelt foton i denne prosessen mens du følger energi- og momentumbevaringsprinsippene. Systemet utvikler seg til en partilstand som et resultat av denne interaksjonen. Forskernes nøyaktige samtidige deteksjon av elektronenergi og produserte fotoner, muliggjort av en nyopprettet måleteknikk, avslørte de underliggende elektron-foton-partilstandene.
Foruten å observere denne prosessen for første gang på enkeltpartikkelnivå, implementerer disse funnene et nytt konsept for å generere et enkeltfoton eller elektron. Spesifikt muliggjør målingen av partilstanden varslede partikkelkilder, der deteksjon av en partikkel signaliserer generering av den andre. Dette er nødvendig for mange applikasjoner innen kvanteteknologi og legger til det voksende verktøysettet.
Claus Ropers, MPI-NAT-direktør, sa: – Metoden åpner for fascinerende nye muligheter innen elektronmikroskopi. Innenfor kvanteoptikk forbedrer sammenfiltrede fotonpar allerede avbildning. Med vårt arbeid kan slike konsepter nå utforskes med elektroner."
I eksperimentet brukte forskere de genererte korrelerte elektron-foton-parene for fotonisk modusavbildning. De var i stand til å oppnå en kontrastforbedring i tre størrelsesordener.
Dr. Yujia Yang, postdoktor ved EPFL og medforfatter av studien, legger til: "Vi tror arbeidet vårt har en betydelig innvirkning på den fremtidige utviklingen innen elektronmikroskopi ved å utnytte kraften til kvanteteknologi».
Tobias Kippenberg, professor ved EPFL og leder for Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, sa: "En spesiell utfordring for fremtidig kvanteteknologi er hvordan man kan samkjøre ulike fysiske systemer. For første gang tar vi med gratis elektroner inn i verktøykassen til kvanteinformasjon vitenskap. Mer generelt kan kobling av frie elektroner og lys ved hjelp av integrert fotonikk åpne veien for en ny klasse hybrid kvanteteknologi."
Studien kan føre til det nå fremvoksende feltet av fri-elektron kvanteoptikk. Det kan også demonstrere en kraftig eksperimentell plattform for hendelsesbasert og foton-styrt elektronspektroskopi og bildebehandling.
Guanhao Huang, en Ph.D. student ved EPFL og medforfatter av studien, sa, "Vårt arbeid representerer et kritisk skritt for å utnytte kvanteoptikkkonsepter i elektronmikroskopi. Vi planlegger å utforske ytterligere fremtidige retninger som elektron-varslet eksotiske fotoniske tilstander og støyreduksjon i elektronmikroskopi."
Tidsreferanse:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Kavitetsmediert elektron-foton-par. Vitenskap377(6607), 777-780. GJØR JEG: 10.1126/science.abo5037
