Sinds enkele decennia is natuurkundigen weten dat licht tegelijkertijd kan worden beschreven als een golf en een deeltje. Deze fascinerende 'dualiteit' van licht is te danken aan het klassieke en kwantumkarakter van elektromagnetische excitaties, de processen waardoor elektromagnetische velden worden geproduceerd.

Tot dusver, in alle experimenten waarin licht interageert met vrije elektronen, het is beschreven als een golf. Onderzoekers van Technion—Israel Institute of Technology, echter, hebben onlangs het eerste experimentele bewijs verzameld dat de kwantumaard van de interactie tussen fotonen en vrije elektronen onthult. Hun bevindingen, gepubliceerd in Wetenschap , zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor toekomstig onderzoek naar fotonen en hun interactie met vrije elektronen.

"Het idee voor onze studie kwam ongeveer twee jaar geleden bij ons op, na onze experimentele ontdekking dat de interactie tussen een vrij elektron en licht zijn coherentie kan behouden over afstanden van honderd keer de optische periode, "Raphael Dahan, Alexey Gorlach en Ido Kaminer, drie van de onderzoekers die het onderzoek hebben uitgevoerd, vertelde Phys.org via e-mail. "Rond deze tijd, er kwamen ook twee belangrijke theoretische werken uit, die beide onderzochten hoe de kwantumeigenschappen van licht de interactie met elektronen zouden moeten veranderen."

Deze twee eerdere theoretische studies, een door Ofer Kfir aan de Universiteit van Göttingen en de andere door Javier García de Abajo en zijn collega's van het Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), voorspelde een nieuw type fundamentele interactie tussen licht en vrije elektronen, het onthullen van de kwantumeigenschappen van licht. Geïnspireerd door deze belangrijke voorspellingen, Kaminer, Dahan, Gorlach en hun collega's gingen op zoek naar een systeem waarin ze deze interactie experimenteel konden onderzoeken. Specifieker, de onderzoekers wilden aantonen dat de kwantumstatistieken van licht de interactie tussen elektron en licht kunnen veranderen.

"Hierdoor gingen we op zoek naar twee belangrijke componenten, "Kaminer, Dahan en Gorlach legden het uit. "De eerste is een apparaat dat een betere koppeling zal hebben tussen het elektron en het licht, en de tweede is een fotonische bron die kwantumlicht met de hoogst mogelijke intensiteit zal genereren."

Om een ​​grotere koppelingsefficiëntie te bereiken, de onderzoekers overlegden met leden van de accelerator on-chip (ACHIP) onderzoeksgemeenschap, die tot doel heeft compacte elektronenversnelling te bereiken met behulp van lasers en deze op de chip te integreren. Na een reeks berekeningen, het team ontdekte dat de koppelingsefficiëntie in honderd keer kan worden verbeterd in vergelijking met wat werd gesuggereerd door alle eerdere experimenten.

"We werkten eerst samen met een groep uit Stanford (Solgaard, Engeland, Leedel, doei, en hun studenten) - ze hebben ons een ACHIP-structuur ontworpen en geleverd voor de eerste test, "Kaminer, Dahan en Gorlach zeiden. "Dit werd het eerste experiment met een silicium-fotonische chip in een transmissie-elektronenmicroscoop, en had al fascinerende implicaties, resulterend in een ander artikel dat binnenkort in PRX zal verschijnen, door Yuval Adiv et al."

Vervolgens, Kaminer en zijn collega's begonnen een samenwerking met een ander deel van de ACHIP-gemeenschap, een team onder leiding van Peter Hommelhoff in Erlangen Duitsland. Deze onderzoeksgroep leverde de beste ACHIP-structuren ter wereld die Kaminer nodig had om dit gecompliceerde experiment uit te voeren.

Om intens kwantumlicht te genereren, de onderzoekers werkten nauw samen met de Eisenstein-groep bij Technion. Deze groep stelde hen in staat een speciaal soort optische versterker te gebruiken:een instrument dat de kwantumfotonstatistieken van licht kan veranderen van een Poisson-verdeling (zoals in klassiek coherent licht) in een super-Poisson-verdeling.

"Onze studie was een hele reis, Dahan zei. "Door al deze verschillende elementen te combineren en door een zeer uitdagend experiment met behulp van onze ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop, we hebben ons primaire doel bereikt:het aantonen van de eerste interactie tussen een vrij elektron en licht met verschillende kwantumeigenschappen."

Kaminer en zijn collega's waren uiteindelijk in staat om de kwantumaard van de interactie tussen fotonen en vrije elektronen te onthullen door de fotonstatistieken tijdens hun experiment voortdurend te veranderen en te laten zien hoe het elektronenenergiespectrum als reactie verandert. De verandering in de fotonstatistieken die ze waarnamen, varieerde afhankelijk van de intensiteit van de pomp en laserzaad in de optische versterker.

De primaire interactie die de onderzoekers hebben onderzocht, is die waarbij het ingangslicht en de vrije elektronen betrokken zijn. In hun experimenten, elektronen fungeren als de detectoren van de lichttoestand. Dus, door hun energie te meten, de onderzoekers waren in staat om kwantuminformatie over licht te extraheren.

De elektronenmetingen kunnen alleen worden verklaard door zowel het elektron als het licht te kwantiseren, zoals voorspeld door de theoretische papers waar ze inspiratie uit haalden. "Slechts een keer met behulp van deze nieuwe theorie, de overeenkomst met onze metingen werd zeer goed, " zei Kaminer. "Vanuit een fundamenteel perspectief, de belangrijkste bevindingen van onze studie zijn:de interactie tussen kwantumlicht en een vrij elektron, het ontstaan ​​van verstrengeling in de interactie en het kwantumklassieke correspondentieprincipe. Dit principe laat het effect zien van een kwantumwandeling door het elektron en de overgang naar een willekeurige wandeling."

Naast het mogelijk maken van de weg voor nieuw lichtgerelateerd natuurkundig onderzoek, het experimentele bewijs zou de ontwikkeling van verschillende nieuwe technologieën kunnen informeren. Dit omvat niet-destructieve en niet-invasieve beeldvormingstools die afbeeldingen met een hoge resolutie kunnen verzamelen.

"Ten eerste, we hebben laten zien dat je vrije elektronen kunt gebruiken om de kwantumfotonstatistieken van licht te meten, "Kaminer, Dahan en Gorlach zeiden. "Er zijn verschillende voordelen van dergelijke metingen die in de toekomst kunnen worden aangetoond, bijvoorbeeld, niet-destructief zijn, met een hoge temporele resolutie, en gebeurt in het nabije veld met een hoge ruimtelijke resolutie."

Het recente werk van Kaminer en zijn team bewijst dat het mogelijk is om tijdelijk elektronen te vormen met behulp van continu-golf (CW) licht. Dit resultaat zou de integratie van silicium-fotonische chips in elektronenmicroscopen mogelijk maken om de mogelijkheden van elektronenmicroscopie te verbeteren, bijvoorbeeld, om attoseconde tijdresolutie te introduceren in ultramoderne microscopen zonder hun ruimtelijke resolutie te schaden.

"We zijn nu van plan ons werk voort te zetten in twee belangrijke onderzoeksrichtingen, "Kaminer, Dahan en Gorlach zeiden. "De eerste werkt aan volledige tomografie van de kwantumtoestand van fotonische nabije velden, zoals het meten van knijpen van licht op de chip zonder dat het licht uitgekoppeld hoeft te worden. Een andere richting die we onderzoeken is het creëren van kwantumlicht met behulp van coherent gevormde elektronen, volgens de visie die we hebben uiteengezet in ons recente theoriedocument dat deze richting suggereerde."

© 2021 Science X Network