One-of-a-kind mikroskop muliggør gennembrud inden for kvantevidenskab

Technion-professor Ido Kaminer og hans team har lavet et dramatisk gennembrud inden for kvantevidenskab:et kvantemikroskop, der registrerer lysets strøm, muliggør direkte observation af lys fanget inde i en fotonisk krystal.

Deres forskning, "Sammenhængende interaktion mellem frie elektroner og et fotonisk hulrum, " blev offentliggjort i Natur . Alle eksperimenterne blev udført ved hjælp af et unikt ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop på Technion-Israel Institute of Technology. Mikroskopet er det nyeste og mest alsidige af en håndfuld, der findes i den videnskabelige verden.

"Vi har udviklet et elektronmikroskop, der producerer, hvad der i mange henseender er, den bedste nærfelts optiske mikroskopi i verden. Ved hjælp af vores mikroskop, vi kan ændre farven og vinklen af ​​lys, der belyser enhver prøve af nanomaterialer og kortlægge deres interaktioner med elektroner, som vi demonstrerede med fotoniske krystaller, " forklarede prof. Kaminer. "Dette er første gang, vi rent faktisk kan se lysets dynamik, mens det er fanget i nanomaterialer, i stedet for at stole på computersimuleringer, "tilføjede Dr. Kangpeng Wang, en postdoc i gruppen og førsteforfatter på papiret.

Alle eksperimenterne blev udført på det ultrahurtige transmissionselektronmikroskop i Robert og Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory ledet af prof. Kaminer. Han er fakultetsmedlem ved Andrew og Erna Viterbi Fakultet for Elektroteknik og Solid State Institute, og tilknyttet Helen Diller Quantum Center og Russell Berrie Nanotechology Institute. Forskerholdet omfatter også:Dr. Kangpeng Wang, Raphael Dahan, Michael Shentcis, Dr. Yaron Kauffmann, Adi Ben-Hayun, Ori Reinhardt, og Shai Tsesses.

Vidtgående applikationer

Dette gennembrud vil sandsynligvis have en indvirkning på adskillige potentielle applikationer, herunder design af nye kvantematerialer til opbevaring af kvantebits med større stabilitet. Tilsvarende det kan hjælpe med at forbedre skarpheden af ​​farver på mobiltelefoner og andre slags skærme.

"Det vil have en endnu bredere virkning, når vi først undersøger mere avancerede nano-/kvantematerialer. Vi har et ekstremt højopløsningsmikroskop, og vi begynder at udforske de næste stadier, " Prof. Kaminer uddybede. "F.eks. de mest avancerede skærme i verden i dag bruger QLED-teknologi baseret på kvanteprikker, gør det muligt at kontrollere farvekontrasten i en meget højere definition. Udfordringen er, hvordan man kan forbedre kvaliteten af ​​disse små kvanteprikker på store overflader og gøre dem mere ensartede. Dette vil forbedre skærmopløsningen og farvekontrasten endnu mere, end den nuværende teknologi muliggør. "

En ny slags kvantestof

Det ultrahurtige transmissionselektronmikroskop i Prof. Kaminer's AdQuanta-laboratorium har en accelerationsspænding, der varierer fra 40 kV til 200 kV (accelererer elektroner til 30-70 % af lysets hastighed). og et lasersystem med under 100 femtosekunders pulser ved 40 Watt. Det ultrahurtige elektrontransmissionsmikroskop er en femtosekund pumpe-probe opsætning, der bruger lysimpulser til at excitere prøven og elektronimpulser til at sondere prøvens transiente tilstand. Disse elektronimpulser trænger ind i prøven og afbilder den. Inkluderingen af ​​multidimensionelle egenskaber i én opsætning er yderst nyttig til fuld karakterisering af objekter i nanoskala.

I hjertet af gennembruddet ligger det faktum, at fremskridt inden for forskning i ultrahurtige frie elektron-lys-interaktioner har introduceret en ny form for kvantemateriale-kvantefrie elektron "bølgepakker". I fortiden, kvanteelektrodynamik (QED) studerede interaktionen mellem kvantestof og hulrumslys, hvilket har været afgørende i udviklingen af ​​den underliggende fysik, der udgør kvanteteknologiernes infrastruktur. Imidlertid, alle eksperimenter til dato har kun fokuseret på lys, der interagerer med bundne elektronsystemer - såsom atomer, kvanteprikker, og kvantekredsløb - som er væsentligt begrænsede i deres faste energitilstande, spektralområde, og udvælgelsesregler. Kvantefri-elektronbølgepakker, imidlertid, har ingen sådanne grænser. På trods af flere teoretiske forudsigelser om spændende nye hulrumseffekter med frie elektroner, ingen fotonisk hulrumseffekt er tidligere blevet observeret for frie elektroner, på grund af fundamentale grænser for styrken og varigheden af ​​interaktionen.

Prof. Kaminer og hans team har udviklet en eksperimentel platform til den flerdimensionale undersøgelse af frielektroninteraktioner med fotoner på nanoskalaen. Deres unikke mikroskop opnåede optiske nærfeltskort ved at udnytte elektronernes kvantenatur, som blev verificeret ved at observere Rabi-oscillationer af elektronspektret, der ikke kan forklares ved ren klassisk teori.

Mere effektive fri-elektron-hulrum-foton-interaktioner kunne tillade stærk kobling, foton kvantetilstandssyntese, og nye ikke-lineære kvantefænomener. Området for elektronmikroskopi og yderligere områder inden for fri-elektronfysik kan vinde ved fusionen med fotoniske hulrum, muliggør lavdosis, ultrahurtig elektronmikroskopi af blødt stof eller andre strålefølsomme materialer.

Prof. Kaminer håber, at mikroskopet vil tjene det bredere Technion-samfund inden for andre forskningsfelter. "Jeg vil gerne pleje tværfagligt samarbejde, " bemærkede han.