Bij conventionele holografie kan een fotografische film het interferentiepatroon vastleggen van monochromatisch licht dat door het af te beelden object wordt verstrooid met een referentiebundel van niet-verstrooid licht. Wetenschappers kunnen het ontwikkelde beeld vervolgens verlichten met een replica van de referentiestraal om een ​​virtueel beeld van het oorspronkelijke object te creëren. Holografie werd oorspronkelijk voorgesteld door de natuurkundige Dennis Gabor in 1948 om de resolutie van een elektronenmicroscoop te verbeteren, gedemonstreerd met behulp van lichtoptiek. Een hologram kan worden gevormd door de fase- en amplitudeverdeling van een signaal vast te leggen door het te superponeren met een bekende referentie. Het oorspronkelijke concept werd gevolgd door holografie met elektronen, en na de uitvinding van lasers werd optische holografie een populaire techniek voor 3D-beeldvorming van macroscopische objecten, informatieversleuteling en beeldvorming door microscopie.

Echter, het uitbreiden van hologrammen naar het ultrasnelle domein blijft momenteel een uitdaging met elektronen, hoewel de ontwikkeling van de techniek de hoogst mogelijke gecombineerde ruimte-tijdresolutie mogelijk zou maken voor geavanceerde beeldvormingstoepassingen in de fysica van de gecondenseerde materie. In een recente studie die nu is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , Ivan Madan en een interdisciplinair onderzoeksteam in de afdelingen Ultrasnelle microscopie en elektronenverstrooiing, Natuurkunde, Wetenschap en technologie in Zwitserland, het VK en Spanje, gedetailleerd de ontwikkeling van een hologram met behulp van lokale elektromagnetische velden. De wetenschappers verkregen de elektromagnetische hologrammen met een gecombineerde attoseconde / nanometer-resolutie in een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UEM).

Bij de nieuwe methode de wetenschappers vertrouwden op elektromagnetische velden om een ​​elektronengolffunctie te splitsen in een kwantum coherente superpositie van verschillende energietoestanden. De techniek week af van de conventionele methode, waarbij het signaal van belang en referentie ruimtelijk gescheiden en opnieuw gecombineerd om de amplitude en fase van een van belang zijnd signaal te reconstrueren om vervolgens een hologram te vormen. Het principe kan worden uitgebreid tot elke soort detectieconfiguratie met een periodiek signaal dat interferentie kan ondergaan, inclusief geluidsgolven, Röntgenstralen of femtoseconde pulsgolfvormen.

Verdere vooruitgang in de studie van holografie resulteerde in in de tijd opgeloste optische holografie, succesvol gerealiseerd in het femtoseconde regime voor verbeterde ruimtelijke resolutie in tijdsopgeloste foto-emissie-elektronenspectroscopie (tr-PEEM). Het bereiken van het ultrasnelle domein kan ook een realiteit worden, vanwege recente ontwikkelingen in ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscopie waarbij femtoseconde lasers worden gebruikt om ultrasnelle elektronenpulsen te creëren. De ontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt om in realtime te filmen van collectieve elektronische modes, spanningsvelden en magnetische texturen met een resolutie van enkele honderden femtoseconden.

In het nieuwe werk Madan et al. demonstreerde een tijdsdomein holografische beeldvormingstechniek in een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop (UEM). Ze baseerden de techniek op quantum coherente interactie van elektronengolfpakketten met meerdere optische velden. Om de methode te illustreren, Madan et al. vastgelegde attoseconde/nanometer-opgeloste fasegevoelige films van snel evoluerende elektromagnetische velden in plasmonische structuren. De wetenschappers implementeerden twee belangrijke experimentele methoden in het onderzoek in een benadering om parallel toegang te krijgen tot de kwantumcoherentie van generieke elektronische toestanden. Het werk zal relevant zijn voor verdere toepassingen van elektronenkwantumoptica.

Als een eenvoudige implementatie van de holografische UEM, de wetenschappers baseerden de lokale interferentie van twee velden op twee zich voortplantende oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) (d.w.z. een collectieve oscillatiegolf van vrije elektronen langs een metaal). Ze beschreven het interactiemechanisme van de elektronenpuls met een enkele SPP met behulp van conventionele foton-geïnduceerde, near-field elektronenmicroscopie (PINEM) en onderzocht vervolgens de hologrammen die werden geproduceerd via de interferentie tussen twee SPP's in een lokale holografische PINEM. Tijdens conventionele PINEM, elektronen kunnen inelastisch verstrooide elektronen absorberen of uitzenden en inelastisch verstrooide elektronen filteren om de vorming van real-space beelden van de plasmonvelden mogelijk te maken.

Om het holografische PINEM-concept te implementeren, Madan et al. gebruikte een experimentele nanostructuur bestaande uit twee loodrechte spleten, samengesteld uit zilver (Ag) film vervaardigd door gallium (Ga) ion frezen, afgezet op een siliciumnitridemembraan (Si ₃ N ₄ ). Ze voerden de experimenten uit in een aangepaste transmissie-elektronenmicroscoop. In productie, de wetenschappers gebruikten een tweede SPP-golf als referentie en creëerden een interferentiepatroon met de SPP van belang om een ​​hologram te vormen wanneer beide golven elkaar in ruimte en tijd overlappen. De wetenschappers observeerden hologrammen gevormd door de 2 SPP's met relatieve pulsvertragingen van -77, -20, 0 en 22 femtoseconden door energiefiltering van inelastisch verstrooide elektronen.

Madan et al. de holografische benadering gegeneraliseerd met behulp van de samenhang tussen verschillende energietoestanden van de kwantumladder, waar de elektronengolffunctie splitst bij interactie met licht. Omdat elektronen informatie bevatten over de amplitude en fase van het optische veld, zelfs na het voltooien van de interactie, de wetenschappers maakten van dit feit gebruik om kwantumholografie mogelijk te maken. In de experimenten, ze maakten gebruik van een semi-oneindig lichtveld gecreëerd door de reflectie van de optische bundel van een elektronentransparante optische spiegel, om een ​​materiaalonafhankelijk referentieveld te creëren. De opstelling maakte een bijna constante ruimtelijke amplitude en fase mogelijk om een ​​optimaal referentieveld voor holografie in het onderzoek voor te bereiden.

In het kader van deze studie, kwantumcoherentie van een elektronentoestand verwees niet naar de samenhang tussen elektronen, maar tot een maat voor de monochromaticiteit (singulariteit) en fasestabiliteit van de vlakke elektronengolf. Madan et al. gebruikte de term om te bepalen of een elektron zich in een zuivere of verstrengelde toestand in de omgeving bevond. In de kwantumzin, daarom, de fase tussen verschillende energietoestanden werd bepaald door de operator van de tijdevolutie en niet willekeurig.

De wetenschappers reconstrueerden vervolgens de complexe elektrische veldverdeling rond 3D-deeltjes of nanostructuren. Ze toonden aan dat de wiskundige equivalentie van lokale plasmonholografie en ruimtelijk gescheiden kwantumholografie het mogelijk maakte de geregistreerde hologrammen te behandelen met hetzelfde formalisme van voortplantende staande golven. Madan et al. presenteerde dus een observatie van dit effect door hologrammen op te nemen die gevormd werden door het gekantelde golffront van het licht dat wordt gereflecteerd door een zilveren spiegel en een plasmongolf die wordt uitgezonden door een gat dat in de zilverlaag is uitgehouwen. Het resulterende patroon vertoonde een periodiciteit die van nature afwezig was in een gekanteld hologram.

Met behulp van modelberekeningen, Madan et al. onderscheid gemaakt tussen een zeer coherente (zuivere) en volledig onsamenhangende (volledig gemengde) elektronenverdeling. Voor deze, ze modelleerden de dichtheidsmatrix van gegenereerde foto-elektronen, bijvoorbeeld, met behulp van UV-verlichting van een vast doel. Vervolgens coördineerden ze de elektronentoestanden om te interageren met een reizend plasmonpolariton in de experimentele opstelling. Door de elektronenenergieverdeling te observeren, de wetenschappers konden vaststellen of er een gedeeltelijke coherentie was in de door licht uitgezonden elektronen. Op basis van de waarneming, ze stelden een verdere uitbreiding van de UEM-holografische beeldvorming voor om de kwantumholografische UEM praktisch te realiseren. De wetenschappers stellen zich voor om de techniek te gebruiken om potentiële interessante objecten te bestuderen, zoals atomaire polariseerbaarheid, excitonen, fononen, Higgs en andere collectieve en quasideeltjesexcitaties in systemen van gecondenseerde materie in de toekomst.

Het huidige werk leverde voldoende informatie om de volledige dichtheidsmatrix van een onbekende elektronische toestand te reconstrueren, vergelijkbaar met een eerdere benadering van kwantumtoestandreconstructie met attoseconde pulstreinen. Maar in tegenstelling tot eerder werk, deze methode kan ook goed gecontroleerde SPP-velden gebruiken om een ​​aantal projectieve metingen parallel te realiseren.

Op deze manier Madan et al. demonstreerde zowel lokale als ruimtelijk gescheiden holografische benaderingen op basis van ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscopie (UEM). De wetenschappers toonden aan dat het niet-lokale karakter van de techniek het mogelijk maakte om de referentie- en sondevelden volledig te ontkoppelen, wat voorheen niet mogelijk was met optische of foto-emissiemicroscopietechnieken in het nabije veld. Het werk biedt een uniek perspectief om een ​​gecombineerde resolutie van atomaire en subfemtoseconden te bereiken binnen een transmissiemicroscoop. De methode zal een ruimtelijk opgeloste detectiemethode van coherenties in elektronenkwantumtoestanden mogelijk maken met een groot potentieel voor elektronenkwantumholografie en aanvullende toepassingen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk