Квантова інформація, комунікація та відчуття базуються на створенні та контролі квантових кореляцій у додаткових ступенях свободи. Фахівці з усього світу намагаються застосувати результати фундаментальних досліджень у квантових технологіях.
Іноді для цього потрібні окремі частинки, включаючи фотони з особливими властивостями. Однак отримати окремі частинки складно і вимагає дуже складних методів. Вільні електрони вже використовуються в багатьох програмах для виробництва світла, наприклад, у рентгенівських трубках.
У новому дослідженні вчені з EPFLЛабораторія фотоніки та квантових вимірювань Геттінгенського Інституту багатопрофільних наук імені Макса Планка (MPI-NAT) і Геттінгенський університет демонструють новий метод генерації фотонів порожнини за допомогою вільних електронів у формі парних станів. Вони створили електронно-фотонні пари за допомогою інтегрованих фотонних схем на мікросхемі в електронному мікроскопі.
В експерименті вчені пропускають промінь електронного мікроскопа на вбудований інтегрований фотонний чіп. Мікросхема складається з мікрокільцевого резонатора та оптоволоконних вихідних портів. Цей новий підхід використовує фотонні структури, виготовлені в EPFL, для експериментів з трансмісійним електронним мікроскопом (ТЕМ), які проводяться в MPI-NAT.
Фотон може виникати щоразу, коли електрон взаємодіє з вакуумним полем кільцевого резонатора. Електрон втрачає квант енергії a один фотон у цьому процесі, дотримуючись принципів збереження енергії та імпульсу. У результаті цієї взаємодії система переходить у стан пари. Точне одночасне виявлення вченими енергії електронів і вироблених фотонів, що стало можливим завдяки новоствореній методиці вимірювання, виявило основні стани електронно-фотонної пари.
Окрім першого спостереження цього процесу на рівні однієї частинки, ці відкриття реалізують нову концепцію генерації одного фотона або електрона. Зокрема, вимірювання стану пари дає змогу створювати оголошені джерела частинок, де виявлення однієї частинки сигналізує про генерацію іншої. Це необхідно для багатьох додатків у квантових технологіях і доповнює її зростаючий набір інструментів.
Клаус Роперс, директор MPI-NAT, сказав: «Цей метод відкриває захоплюючі нові можливості в електронній мікроскопії. У галузі квантової оптики заплутані фотонні пари вже покращують зображення. Завдяки нашій роботі такі концепції тепер можна досліджувати за допомогою електронів».
В експерименті вчені використовували згенеровані корельовані електрон-фотонні пари для зображення фотонного режиму. Вони змогли досягти збільшення контрастності на три порядки.
Доктор Юцзя Ян, постдоктор в EPFL і співавтор дослідження, додає: «Ми вважаємо, що наша робота має значний вплив на майбутній розвиток електронної мікроскопії шляхом використання сила квантових технологій».
Тобіас Кіппенберг, професор EPFL і керівник лабораторії фотоніки та квантових вимірювань, сказав: «Особливим викликом для майбутньої квантової технології є те, як взаємодіяти між різними фізичними системами. Вперше ми додаємо вільні електрони до інструментарію квантова інформація наука. У більш широкому плані зв’язок вільних електронів і світла за допомогою інтегрованої фотоніки може відкрити шлях до нового класу гібридних квантових технологій».
Дослідження може привести до нової галузі квантової оптики вільних електронів. Він також міг би продемонструвати потужну експериментальну платформу для електронної спектроскопії та візуалізації, що базується на подіях і на основі фотонів.
Гуаньхао Хуан, доктор філософії студент EPFL і співавтор дослідження, сказав, «Наша робота є критично важливим кроком для використання концепцій квантової оптики в електронній мікроскопії. Ми плануємо досліджувати подальші напрямки майбутнього, такі як екзотичні фотонні стани, що проголошуються електроном, і зменшення шуму в електронній мікроскопії».
Довідка з журналу:
- Armin Feist, Guanhao Huang та ін. Електронно-фотонні пари, опосередковані порожниною. наука, 377 (6607), 777-780. DOI: 10.1126/science.abo5037
