Technion-hoogleraar Ido Kaminer en zijn team hebben een dramatische doorbraak bereikt op het gebied van de kwantumwetenschap:een kwantummicroscoop die de lichtstroom vastlegt, waardoor de directe waarneming van licht in een fotonisch kristal mogelijk is.

Hun onderzoek, "Coherente interactie tussen vrije elektronen en een fotonische holte, " werd gepubliceerd in Natuur . Alle experimenten werden uitgevoerd met behulp van een unieke ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop van het Technion-Israel Institute of Technology. De microscoop is de nieuwste en meest veelzijdige van een handvol die er in de wetenschappelijke wereld bestaat.

"We hebben een elektronenmicroscoop ontwikkeld die produceert, wat in veel opzichten is, de beste nabij-veld optische microscopie ter wereld. Met behulp van onze microscoop, we kunnen de kleur en hoek van het licht veranderen dat elk monster van nanomaterialen verlicht en hun interacties met elektronen in kaart brengen, zoals we hebben aangetoond met fotonische kristallen, " legt prof. Kaminer uit. "Dit is de eerste keer dat we de dynamiek van licht kunnen zien terwijl het vastzit in nanomaterialen, in plaats van te vertrouwen op computersimulaties, " voegde Dr. Kangpeng Wang toe, een postdoc in de groep en eerste auteur op het papier.

Alle experimenten werden uitgevoerd op de ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop in het Robert en Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory onder leiding van prof. Kaminer. Hij is een lid van de faculteit in de Andrew en Erna Viterbi Faculteit Elektrotechniek en het Solid State Institute, en verbonden aan het Helen Diller Quantum Center en het Russell Berrie Nanotechology Institute. Het onderzoeksteam omvat ook:Dr. Kangpeng Wang, Raphael Dahan, Michael Shentcis, Dr. Yaron Kauffmann, Adi Ben Hayun, Ori Reinhardt, en Shai Tsesses.

Vergaande toepassingen

Deze doorbraak zal waarschijnlijk een impact hebben op tal van potentiële toepassingen, inclusief het ontwerp van nieuwe kwantummaterialen voor het opslaan van kwantumbits met grotere stabiliteit. evenzo, het kan helpen de scherpte van kleuren op mobiele telefoons en andere soorten schermen te verbeteren.

"Het zal een nog grotere impact hebben als we meer geavanceerde nano-/kwantummaterialen onderzoeken. We hebben een microscoop met extreem hoge resolutie en we beginnen de volgende stadia te verkennen, "Prof. Kaminer legde uit. "Bijvoorbeeld, de meest geavanceerde schermen ter wereld gebruiken tegenwoordig QLED-technologie op basis van kwantumdots, waardoor het mogelijk is om het kleurcontrast met een veel hogere definitie te regelen. De uitdaging is om de kwaliteit van deze kleine kwantumdots op grote oppervlakken te verbeteren en uniformer te maken. Dit zal de schermresolutie en het kleurcontrast nog meer verbeteren dan de huidige technologieën mogelijk maken."

Een nieuw soort kwantummaterie

De ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop in het AdQuanta-lab van prof. Kaminer heeft een versnellingsspanning die varieert van 40 kV tot 200 kV (versnelt elektronen tot 30-70% van de lichtsnelheid), en een lasersysteem met sub 100 femtoseconde pulsen van 40 Watt. De ultrasnelle elektronentransmissiemicroscoop is een femtoseconde pompsonde-opstelling die lichtpulsen gebruikt om het monster te exciteren en elektronenpulsen om de transiënte toestand van het monster te onderzoeken. Deze elektronenpulsen dringen het monster binnen en brengen het in beeld. De opname van multidimensionale mogelijkheden in één opstelling is uiterst nuttig voor de volledige karakterisering van objecten op nanoschaal.

De kern van de doorbraak ligt in het feit dat vooruitgang in het onderzoek naar ultrasnelle vrij-elektron-licht-interacties een nieuw soort kwantummaterie heeft geïntroduceerd - kwantumvrije elektronen "golfpakketten". Vroeger, kwantumelektrodynamica (QED) bestudeerde de interactie van kwantummaterie met holtevormen van licht, wat cruciaal is geweest bij de ontwikkeling van de onderliggende fysica die de infrastructuur van kwantumtechnologieën vormt. Echter, alle experimenten tot nu toe waren alleen gericht op licht dat in wisselwerking staat met gebonden elektronensystemen, zoals atomen, kwantum stippen, en kwantumcircuits - die aanzienlijk beperkt zijn in hun vaste energietoestanden, spectraalgebied, en selectieregels. Quantum vrije-elektron golfpakketten, echter, hebben dergelijke limieten niet. Ondanks meerdere theoretische voorspellingen van opwindende nieuwe holte-effecten met vrije elektronen, er is eerder geen fotonisch holte-effect waargenomen voor vrije elektronen, vanwege fundamentele beperkingen op de sterkte en de duur van de interactie.

Prof. Kaminer en zijn team hebben een experimenteel platform ontwikkeld voor de multidimensionale studie van vrije elektroneninteracties met fotonen op nanoschaal. Hun unieke microscoop bereikte record-nabije-veld optische kaarten door gebruik te maken van de kwantumaard van elektronen, die werden geverifieerd door Rabi-oscillaties van het elektronenspectrum waar te nemen die niet kunnen worden verklaard door pure klassieke theorie.

Efficiëntere interacties tussen vrije elektronen, holtes en fotonen kunnen een sterke koppeling mogelijk maken, foton kwantumtoestand synthese, en nieuwe niet-lineaire kwantumfenomenen. Het gebied van elektronenmicroscopie en andere gebieden van de fysica van vrije elektronen kunnen profiteren van de fusie met fotonische holtes, lage dosis mogelijk maken, ultrasnelle elektronenmicroscopie van zachte materie of andere bundelgevoelige materialen.

Prof. Kaminer hoopt dat de microscoop de bredere Technion-gemeenschap op andere onderzoeksgebieden zal dienen. "Ik zou interdisciplinaire samenwerking willen koesteren, " hij merkte.