Informação quântica, comunicação e detecção dependem da geração e controle de correlações quânticas em graus de liberdade complementares. Especialistas em todo o mundo estão tentando implementar descobertas de pesquisas básicas em tecnologias quânticas.
Às vezes, eles exigem partículas individuais, incluindo fótons com propriedades especiais. No entanto, obter partículas individuais é um desafio e exige técnicas muito sofisticadas. Elétrons livres já são usados em muitas aplicações para produzir luz, como tubos de raios X.
Em um novo estudo, cientistas da EPFLO Laboratório de Fotônica e Medição Quântica de Göttingen, o Instituto Max Planck de Ciências Multidisciplinares de Göttingen (MPI-NAT) e a Universidade de Göttingen demonstram um novo método para gerar fótons de cavidade usando elétrons livres, na forma de estados de pares. Eles criaram pares elétron-fóton usando circuitos fotônicos integrados em um chip em um microscópio eletrônico.
Em um experimento, os cientistas passam o feixe de um microscópio eletrônico em um chip fotônico. O chip consiste em um ressonador de micro-anel e portas de saída de fibra óptica. Esta nova abordagem usa estruturas fotônicas fabricadas na EPFL para experimentos de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) realizados no MPI-NAT.
Um fóton pode ser produzido sempre que um elétron interage com o campo evanescente de vácuo do ressonador de anel. O elétron perde o quantum de energia de um único fóton neste processo, aderindo aos princípios de conservação de energia e momento. O sistema se desenvolve em um estado de par como resultado dessa interação. A detecção simultânea precisa dos cientistas da energia do elétron e dos fótons produzidos, possibilitada por uma técnica de medição recém-criada, revelou os estados subjacentes do par elétron-fóton.
Além de observar esse processo pela primeira vez no nível de uma única partícula, essas descobertas implementam um novo conceito para gerar um único fóton ou elétron. Especificamente, a medição do estado do par permite fontes de partículas anunciadas, onde a detecção de uma partícula sinaliza a geração da outra. Isso é necessário para muitas aplicações em tecnologia quântica e contribui para o seu crescente conjunto de ferramentas.
Claus Ropers, diretor do MPI-NAT, disse: “O método abre novas possibilidades fascinantes na microscopia eletrônica. No campo da óptica quântica, pares de fótons emaranhados já melhoram a imagem. Com nosso trabalho, tais conceitos agora podem ser explorados com elétrons.”
No experimento, os cientistas usaram os pares de elétron-fóton correlacionados gerados para imagens de modo fotônico. Eles foram capazes de alcançar um aumento de contraste de três ordens de magnitude.
A Dra. Yujia Yang, pós-doutoranda na EPFL e coautora principal do estudo, acrescenta: “Acreditamos que nosso trabalho tem um impacto substancial no desenvolvimento futuro da microscopia eletrônica, aproveitando o poder da tecnologia quântica. "
Tobias Kippenberg, professor da EPFL e chefe do Laboratório de Fotônica e Medição Quântica, disse: “Um desafio particular para a futura tecnologia quântica é como interagir com diferentes sistemas físicos. Pela primeira vez, trazemos elétrons livres para a caixa de ferramentas do informação quântica Ciência. Mais amplamente, acoplar elétrons livres e luz usando fotônica integrada pode abrir caminho para uma nova classe de tecnologias quânticas híbridas”.
O estudo pode levar ao campo emergente da óptica quântica de elétrons livres. Ele também poderia demonstrar uma poderosa plataforma experimental para espectroscopia eletrônica e imagem baseada em eventos e controlada por fótons.
Guanhao Huang, Ph.D. estudante da EPFL e co-autor principal do estudo, dito, “Nosso trabalho representa um passo crítico para utilizar conceitos de óptica quântica em microscopia eletrônica. Planejamos explorar outras direções futuras, como estados fotônicos exóticos anunciados por elétrons e redução de ruído em microscopia eletrônica”.
Jornal de referência:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Pares elétron-fóton mediados por cavidade. Ciência, 377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
