Fotografie meet hoeveel licht van verschillende kleuren op de fotografische film valt. Echter, licht is ook een golf, en wordt daarom gekenmerkt door de fase. Fase specificeert de positie van een punt binnen de golfcyclus en correleert met de diepte van informatie, wat betekent dat het opnemen van de fase van licht dat door een object wordt verstrooid, zijn volledige 3D-vorm kan herstellen, die niet met een eenvoudige foto kan worden verkregen. Dit is de basis van optische holografie, gepopulariseerd door fraaie hologrammen in sciencefictionfilms zoals Star Wars.

Maar het probleem is dat de ruimtelijke resolutie van de foto/hologram wordt beperkt door de golflengte van het licht, rond of net onder 1 m (0,001 mm). Dat is prima voor macroscopische objecten, maar het begint te mislukken bij het betreden van het rijk van nanotechnologie.

Nu hebben onderzoekers van het laboratorium van Fabrizio Carbone bij EPFL een methode ontwikkeld om te zien hoe licht zich op de kleinste schaal gedraagt, ver voorbij de golflengtebeperkingen. De onderzoekers gebruikten de meest ongewone fotografische media:vrij voortplantende elektronen. Gebruikt in hun ultrasnelle elektronenmicroscoop, de methode kan kwantuminformatie coderen in een holografisch lichtpatroon gevangen in een nanostructuur, en is gebaseerd op een exotisch aspect van elektronen- en lichtinteractie.

De wetenschappers gebruikten de kwantumaard van de elektron-lichtinteractie om de elektronenreferentie- en elektronenbeeldbundels te scheiden in energie in plaats van in de ruimte. Dit maakt het nu mogelijk om lichtpulsen te gebruiken om informatie over de elektronengolffunctie te versleutelen, die in kaart kunnen worden gebracht met ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscopie.

De nieuwe methode kan ons twee belangrijke voordelen bieden:informatie over licht zelf, waardoor het een krachtig hulpmiddel is voor het afbeelden van elektromagnetische velden met attoseconde- en nanometerprecisie in tijd en ruimte. Tweede, de methode kan worden gebruikt in kwantumcomputertoepassingen om de kwantumeigenschappen van vrije elektronen te manipuleren.

"Conventionele holografie kan 3D-informatie extraheren door het verschil in afstand te meten die licht aflegt vanuit verschillende delen van het object, ", zegt Carbone. "Maar dit heeft een extra referentiestraal uit een andere richting nodig om de interferentie tussen de twee te meten. Het concept is hetzelfde met elektronen, maar we kunnen nu een hogere ruimtelijke resolutie krijgen vanwege hun veel kortere golflengte. Bijvoorbeeld, we waren in staat om holografische films van snel bewegende objecten op te nemen door ultrakorte elektronenpulsen te gebruiken om de hologrammen te vormen."

Naast kwantumberekeningen, de techniek heeft de hoogste ruimtelijke resolutie in vergelijking met alternatieven, en zou de manier waarop we in het dagelijks leven over licht denken kunnen veranderen. "Tot dusver, wetenschap en technologie zijn beperkt tot vrijelijk voortplantende fotonen, gebruikt in macroscopische optische apparaten, " zegt Carbone. "Onze nieuwe techniek stelt ons in staat om te zien wat er gebeurt met licht op nanoschaal, de eerste stap voor miniaturisering en integratie van lichtapparaten op geïntegreerde schakelingen."