Kvantinformation, kommunikation och avkänning är beroende av generering och kontroll av kvantkorrelationer i kompletterande frihetsgrader. Experter över hela världen försöker implementera rön från grundforskning om kvantteknologi.
Ibland kräver de individuella partiklar, inklusive fotoner med speciella egenskaper. Men att få enskilda partiklar är utmanande och kräver mycket sofistikerade tekniker. Fria elektroner används redan i många applikationer för att producera ljus, såsom röntgenrör.
I en ny studie har forskare från EPFLLaboratory of Photonics and Quantum Measurement, Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT), och universitetet i Göttingen demonstrerar en ny metod för att generera kavitetsfotoner med fria elektroner, i form av partillstånd. De skapade elektron-foton-par med hjälp av integrerade fotoniska kretsar på ett chip i ett elektronmikroskop.
I ett experiment passerar forskare strålen från ett elektronmikroskop på en inbyggd integrerad fotoniskt chip. Chipet består av en mikroringresonator och optiska fiberutgångar. Denna nya metod använder fotoniska strukturer tillverkade vid EPFL för transmissionselektronmikroskop (TEM) experiment utförda vid MPI-NAT.
En foton kan produceras närhelst en elektron interagerar med ringresonatorns vakuum-evanescenta fält. Elektronen förlorar energikvantumet av a enskild foton i denna process samtidigt som man följer principerna för energi- och momentumbevarande. Systemet utvecklas till ett partillstånd som ett resultat av denna interaktion. Forskarnas exakta samtidiga detektering av elektronenergi och producerade fotoner, möjliggjort av en nyskapad mätteknik, avslöjade de underliggande elektron-fotonpartillstånden.
Förutom att observera denna process för första gången på enstaka partikelnivå, implementerar dessa fynd ett nytt koncept för att generera en enkelfoton eller elektron. Specifikt möjliggör mätningen av partillståndet förebådade partikelkällor, där detektering av en partikel signalerar genereringen av den andra. Detta är nödvändigt för många tillämpningar inom kvantteknik och bidrar till dess växande verktygsuppsättning.
Claus Ropers, MPI-NAT-direktör, sa, – Metoden öppnar för fascinerande nya möjligheter inom elektronmikroskopi. Inom området kvantoptik förbättrar intrasslade fotonpar redan avbildningen. Med vårt arbete kan sådana koncept nu utforskas med elektroner.”
I experiment använde forskare de genererade korrelerade elektron-fotonparen för fotoniskt lägesavbildning. De kunde uppnå en kontrastförbättring i tre storleksordningar.
Dr. Yujia Yang, postdoc vid EPFL och medförfattare till studien, tillägger: "Vi tror att vårt arbete har en betydande inverkan på den framtida utvecklingen inom elektronmikroskopi genom att utnyttja kraften i kvantteknik. "
Tobias Kippenberg, professor vid EPFL och chef för Laboratory of Photonics and Quantum Measurement, sa: "En särskild utmaning för framtida kvantteknologi är hur man gränsar till olika fysiska system. För första gången tar vi in fria elektroner i verktygslådan kvantinformation vetenskap. Mer allmänt kan koppling av fria elektroner och ljus med hjälp av integrerad fotonik öppna vägen för en ny klass av hybridkvantteknologi."
Studien kan leda till det för närvarande framväxande området frielektronkvantoptik. Det kan också demonstrera en kraftfull experimentell plattform för händelsebaserad och fotonstyrd elektronspektroskopi och avbildning.
Guanhao Huang, en Ph.D. student vid EPFL och medförfattare till studien, sade, "Vårt arbete representerar ett kritiskt steg för att använda kvantoptikkoncept i elektronmikroskopi. Vi planerar att utforska ytterligare framtida riktningar som exotiska fotoniska tillstånd och brusreducering i elektronmikroskopi."
Tidskriftsreferens:
- Armin Feist, Guanhao Huang, et al. Kavitetsförmedlade elektron-fotonpar. Vetenskap377(6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
