Snellere computers, contactloze communicatie, betere autosensoren - kwantumtechnologieën hebben het potentieel om ons leven radicaal te veranderen, net zoals de uitvinding van computers of internet dat ooit deed. Experts over de hele wereld proberen bevindingen uit fundamenteel onderzoek naar kwantumtechnologieën te implementeren. Hiervoor hebben ze vaak individuele deeltjes nodig, zoals fotonen - de elementaire lichtdeeltjes - met op maat gemaakte eigenschappen.

Het verkrijgen van individuele deeltjes is echter gecompliceerd en vereist ingewikkelde methoden. In een recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift Science , presenteren onderzoekers nu een nieuwe methode die tegelijkertijd twee individuele deeltjes in de vorm van een paar genereert.

Fundamentele kwantumfysica in elektronenmicroscopen

Het internationale team van het Göttingen Max Planck Instituut (MPI) voor Multidisciplinaire Wetenschappen, de Universiteit van Göttingen en het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie in Lausanne (EPFL) is erin geslaagd om losse vrije elektronen en fotonen te koppelen in een elektronenmicroscoop. In het Göttingen-experiment gaat de bundel van een elektronenmicroscoop door een geïntegreerde optische chip, vervaardigd door het Zwitserse team. De chip bestaat uit een glasvezelkoppeling en een ringvormige resonator die licht opslaat door bewegende fotonen op een cirkelvormig pad te houden.

"Wanneer een elektron verstrooit bij de aanvankelijk lege resonator, wordt een foton gegenereerd", legt Armin Feist, wetenschapper bij de MPI en een van de eerste auteurs van het onderzoek, uit. "Tijdens het proces verliest het elektron precies de hoeveelheid energie die het foton nodig heeft om virtueel uit het niets in de resonator te worden gecreëerd. Als gevolg hiervan worden de twee deeltjes door hun interactie gekoppeld en vormen ze een paar." Met een verbeterde meetmethode konden de fysici de betrokken afzonderlijke deeltjes en hun gelijktijdige manifestatie nauwkeurig detecteren.

Toekomstige kwantumtechnologie met vrije elektronen

"Met het elektron-fotonenpaar hoeven we maar één deeltje te meten om informatie te verkrijgen over de energie-inhoud en het tijdelijke uiterlijk van het tweede", zegt Germaine Arend, een Ph.D. kandidaat bij de MPI en tevens eerste auteur van de studie. Hierdoor kunnen onderzoekers één kwantumdeeltje in een experiment gebruiken en tegelijkertijd de aanwezigheid ervan bevestigen door het andere deeltje te detecteren, in een zogenaamd heralding-schema. Zo'n functie is nodig voor veel toepassingen in de kwantumtechnologie.

Max Planck-directeur Claus Ropers ziet elektron-fotonparen als een nieuwe kans voor kwantumonderzoek. "De methode opent fascinerende nieuwe mogelijkheden in elektronenmicroscopie. Op het gebied van kwantumoptica verbeteren verstrengelde fotonparen al de beeldvorming. Met ons werk kunnen dergelijke concepten nu worden onderzocht met elektronen", zegt Roper.

Tobias Kippenberg, professor aan EPFL, voegt toe:"Voor de eerste keer brengen we vrije elektronen in de gereedschapskist van de kwantuminformatiewetenschap. Meer in het algemeen zou het koppelen van vrije elektronen en licht met behulp van geïntegreerde fotonica de weg kunnen openen naar een nieuwe klasse van hybride kwantumtechnologieën ." + Verder verkennen

Geïntegreerde fotonica ontmoet elektronenmicroscopie