Kvantne informacije, komunikacija in zaznavanje temeljijo na ustvarjanju in nadzoru kvantnih korelacij v komplementarnih stopnjah svobode. Strokovnjaki po vsem svetu poskušajo ugotovitve temeljnih raziskav prenesti v kvantne tehnologije.
Včasih zahtevajo posamezne delce, vključno s fotoni s posebnimi lastnostmi. Vendar pa je pridobivanje posameznih delcev zahtevno in zahteva zelo prefinjene tehnike. Prosti elektroni se že uporabljajo v mnogih aplikacijah za proizvodnjo svetlobe, kot so rentgenske cevi.
V novi študiji so znanstveniki iz EPFLLaboratorij za fotoniko in kvantne meritve, Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT) in Univerza v Göttingenu prikazujejo novo metodo za generiranje votlinskih fotonov z uporabo prostih elektronov v obliki parnih stanj. Ustvarili so elektronsko-fotonske pare z uporabo integriranih fotonskih vezij na čipu v elektronskem mikroskopu.
V poskusu znanstveniki preidejo žarek elektronskega mikroskopa na vgrajeno integrirano fotonski čip. Čip je sestavljen iz mikroobročnega resonatorja in izhodnih vrat za optična vlakna. Ta novi pristop uporablja fotonske strukture, izdelane na EPFL, za poskuse transmisijskega elektronskega mikroskopa (TEM), ki se izvajajo na MPI-NAT.
Foton lahko nastane vsakič, ko elektron interagira z vakuumskim evanescentnim poljem obročnega resonatorja. Elektron izgubi kvant energije a en sam foton v tem procesu ob upoštevanju načel ohranjanja energije in gibalne količine. Sistem se zaradi te interakcije razvije v stanje para. Natančno sočasno zaznavanje energije elektronov in proizvedenih fotonov, ki ga je omogočila nova merilna tehnika, je razkrilo osnovna stanja parov elektron-foton.
Poleg tega, da prvič opazujemo ta proces na ravni enega samega delca, te ugotovitve izvajajo nov koncept za generiranje enega fotona ali elektrona. Natančneje, merjenje stanja para omogoča napovedane vire delcev, kjer zaznavanje enega delca signalizira nastanek drugega. To je potrebno za številne aplikacije v kvantni tehnologiji in prispeva k njenemu naraščajočemu naboru orodij.
Claus Ropers, direktor MPI-NAT, je dejal, »Metoda odpira fascinantne nove možnosti v elektronski mikroskopiji. Na področju kvantne optike zapleteni fotonski pari že izboljšujejo slikanje. Z našim delom lahko takšne koncepte zdaj raziskujemo z elektroni.«
V eksperimentu so znanstveniki uporabili ustvarjene korelirane elektron-fotonske pare za slikanje v fotonskem načinu. Uspelo jim je doseči povečanje kontrasta za tri stopnje velikosti.
Dr. Yujia Yang, podoktor na EPFL in sovoditeljski avtor študije, dodaja: »Verjamemo, da naše delo z izkoriščanjem bistveno vpliva na prihodnji razvoj elektronske mikroskopije moč kvantne tehnologije«.
Tobias Kippenberg, profesor na EPFL in vodja Laboratorija za fotoniko in kvantne meritve, je dejal, »Poseben izziv za prihodnjo kvantno tehnologijo je, kako povezati različne fizične sisteme. Prvič dodajamo proste elektrone v orodje kvantne informacije znanost. V širšem smislu bi povezovanje prostih elektronov in svetlobe z integrirano fotoniko lahko odprlo pot novemu razredu hibridnih kvantnih tehnologij.«
Študija bi lahko vodila do trenutno nastajajočega področja kvantne optike prostih elektronov. Prav tako bi lahko prikazal močno eksperimentalno platformo za elektronsko spektroskopijo in slikanje, ki temelji na dogodkih in s fotoni.
Guanhao Huang, dr. študent na EPFL in so-avtor študije, je dejal, »Naše delo predstavlja ključni korak k uporabi konceptov kvantne optike v elektronski mikroskopiji. Načrtujemo raziskovanje nadaljnjih prihodnjih smeri, kot so eksotična fotonska stanja, ki jih napovedujejo elektroni, in zmanjšanje hrupa v elektronski mikroskopiji.«
Referenca dnevnika:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Pari elektron-foton posredovani z votlino. Znanost, 377 (6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
