ข้อมูล การสื่อสาร และการตรวจจับควอนตัมอาศัยการสร้างและควบคุมสหสัมพันธ์ควอนตัมในระดับอิสระเสริม ผู้เชี่ยวชาญทั่วโลกกำลังพยายามนำผลการวิจัยพื้นฐานไปใช้ในเทคโนโลยีควอนตัม
บางครั้งพวกมันต้องการอนุภาคเดี่ยว รวมถึงโฟตอนที่มีคุณสมบัติพิเศษ อย่างไรก็ตาม การรับอนุภาคแต่ละส่วนเป็นสิ่งที่ท้าทายและเรียกเทคนิคที่ซับซ้อนมาก อิเล็กตรอนอิสระถูกใช้ไปแล้วในหลาย ๆ ด้านเพื่อผลิตแสง เช่น หลอดเอ็กซ์เรย์
ในการศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์จาก EPFLห้องปฏิบัติการโฟโตนิกส์และการวัดควอนตัมของ Göttingen Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences (MPI-NAT) และมหาวิทยาลัย Göttingen ได้สาธิตวิธีการใหม่ในการสร้างโพรง-โฟตอนโดยใช้อิเล็กตรอนอิสระ ในรูปแบบของสถานะคู่ พวกเขาสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฟตอนโดยใช้วงจรโฟโตนิกรวมบนชิปในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์จะส่งลำแสงของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไปในตัว ชิปโฟโตนิก. ชิปประกอบด้วยเรโซเนเตอร์ไมโครริงและพอร์ตเอาต์พุตไฟเบอร์ออปติก วิธีการใหม่นี้ใช้โครงสร้างโฟโตนิกซึ่งประดิษฐ์ขึ้นที่ EPFL สำหรับการทดลองกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ที่ดำเนินการที่ MPI-NAT
โฟตอนสามารถผลิตได้เมื่อใดก็ตามที่อิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับสนามการระเหยสูญญากาศของตัวสะท้อนแหวน อิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานควอนตัมของa โฟตอนเดียว ในกระบวนการนี้โดยยึดหลักการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัม ระบบพัฒนาเป็นสถานะคู่อันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์นี้ การตรวจจับพลังงานอิเล็กตรอนและโฟตอนที่ผลิตได้พร้อมกันของนักวิทยาศาสตร์อย่างแม่นยำ ซึ่งเกิดขึ้นได้ด้วยเทคนิคการตรวจวัดที่สร้างขึ้นใหม่ เผยให้เห็นสถานะคู่ของอิเล็กตรอน-โฟตอน
นอกจากการสังเกตกระบวนการนี้เป็นครั้งแรกในระดับอนุภาคเดียวแล้ว การค้นพบนี้ยังใช้แนวคิดใหม่ในการสร้างโฟตอนเดียวหรืออิเล็กตรอน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การวัดสถานะคู่ทำให้สามารถระบุแหล่งที่มาของอนุภาคได้ โดยการตรวจจับอนุภาคหนึ่งจะส่งสัญญาณถึงการสร้างอีกอนุภาคหนึ่ง นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานจำนวนมากในเทคโนโลยีควอนตัมและเพิ่มชุดเครื่องมือที่กำลังเติบโต
Claus Ropers ผู้อำนวยการ MPI-NAT กล่าวว่า “วิธีนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ ที่น่าสนใจในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ในด้านควอนตัมออปติก คู่โฟตอนที่พัวพันกันปรับปรุงการถ่ายภาพแล้ว ด้วยงานของเรา แนวคิดดังกล่าวสามารถสำรวจได้ด้วยอิเล็กตรอน”
ในการทดลอง นักวิทยาศาสตร์ใช้คู่อิเล็กตรอน-โฟตอนที่มีความสัมพันธ์กันสำหรับการถ่ายภาพในโหมดโฟโตนิก พวกเขาสามารถบรรลุการเพิ่มประสิทธิภาพความคมชัดสามระดับ
ดร. Yujia Yang นัก postdoc ที่ EPFL และผู้เขียนร่วมของการศึกษากล่าวเสริมว่า: “เราเชื่อว่างานของเรามีผลกระทบอย่างมากต่อการพัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในอนาคตโดยการควบคุม พลังของเทคโนโลยีควอนตัม".
Tobias Kippenberg ศาสตราจารย์ที่ EPFL และหัวหน้าห้องปฏิบัติการโฟโตนิกส์และการวัดควอนตัมกล่าวว่า “ความท้าทายโดยเฉพาะสำหรับเทคโนโลยีควอนตัมในอนาคตคือการเชื่อมต่อกับระบบทางกายภาพที่แตกต่างกันอย่างไร เป็นครั้งแรกที่เรานำอิเล็กตรอนอิสระเข้าไปในกล่องเครื่องมือของ ข้อมูลควอนตัม ศาสตร์. ในวงกว้างมากขึ้น การควบรวมอิเล็กตรอนอิสระและแสงโดยใช้โฟโตนิกส์แบบบูรณาการสามารถเปิดทางสู่เทคโนโลยีควอนตัมไฮบริดคลาสใหม่ได้”
การศึกษาอาจนำไปสู่สาขาทัศนศาสตร์ควอนตัมอิเล็กตรอนอิสระที่กำลังเกิดขึ้นในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังสามารถแสดงให้เห็นถึงแพลตฟอร์มการทดลองที่มีประสิทธิภาพสำหรับสเปกโตรสโคปีอิเล็กตรอนตามเหตุการณ์และโฟตอนและการถ่ายภาพ
Guanhao Huang ปริญญาเอก นักศึกษาที่ EPFL และผู้เขียนร่วมของการศึกษานี้ กล่าวว่า, “งานของเราแสดงถึงขั้นตอนที่สำคัญในการใช้แนวคิดควอนตัมออปติกในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เราวางแผนที่จะสำรวจทิศทางในอนาคตเพิ่มเติมเช่นสถานะโฟโตนิกที่แปลกใหม่ที่ประกาศโดยอิเล็กตรอนและการลดสัญญาณรบกวนในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน”
การอ้างอิงวารสาร:
- Armin Feist, Guanhao Huang และคณะ คู่อิเล็กตรอน-โฟตอนที่มีโพรงเป็นสื่อกลาง วิทยาศาสตร์, 377(6607), 777-780. ดอย: 10.1126/science.abo5037
