Studiet afslører kvantenaturen af ​​interaktionen mellem fotoner og frie elektroner

I flere årtier, fysikere har vidst, at lys kan beskrives samtidigt som en bølge og en partikel. Denne fascinerende 'dualitet' af lys skyldes den klassiske og kvantemæssige natur af elektromagnetiske excitationer, de processer, hvorigennem elektromagnetiske felter dannes.

Indtil nu, i alle eksperimenter, hvor lys interagerer med frie elektroner, det er blevet beskrevet som en bølge. Forskere ved Technion—Israel Institute of Technology, imidlertid, har for nylig samlet det første eksperimentelle bevis, der afslører kvantenaturen af ​​interaktionen mellem fotoner og frie elektroner. Deres resultater, udgivet i Videnskab , kan have vigtige konsekvenser for fremtidig forskning, der undersøger fotoner og deres interaktion med frie elektroner.

"Idéen til vores undersøgelse kom først til os for omkring to år siden, efter vores eksperimentelle opdagelse, at interaktionen mellem en fri elektron og lys kan bevare sin sammenhæng over afstande på hundrede gange den optiske periode, "Raphael Dahan, Alexey Gorlach og Ido Kaminer, tre af de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org via e-mail. "Omkring dette tidspunkt, to vigtige teoretiske værker udkom også, som begge undersøgte, hvordan lysets kvanteegenskaber skulle ændre interaktionen med elektroner."

Disse to tidligere teoretiske studier, den ene af Ofer Kfir ved Universitetet i Göttingen og den anden af ​​Javier García de Abajo og hans kolleger ved Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), forudsagde en ny type fundamental interaktion, der opstår mellem lys og frie elektroner, afslører lysets kvanteegenskaber. Med inspiration fra disse vigtige forudsigelser, Kaminer, Dahan, Gorlach og deres kolleger begyndte at lede efter et system, hvor de ville være i stand til at undersøge denne interaktion eksperimentelt. Mere specifikt, forskerne ønskede at demonstrere, at kvantestatistikken for lys kan ændre elektron-lys-interaktionen.

"Dette fik os til at lede efter to vigtige komponenter, "Kaminer, Dahan og Gorlach forklarede. "Den første er en enhed, der vil have bedre kobling mellem elektronen og lyset, og den anden er en fotonisk kilde, der vil generere kvantelys med den højest mulige intensitet."

For at opnå en større koblingseffektivitet, forskerne rådførte sig med medlemmer af accelerator on-chip (ACHIP) forskningsmiljøet, som har til formål at opnå kompakt elektronacceleration ved hjælp af lasere og integrere det on-chip. Efter en række beregninger, holdet fandt, at koblingseffektiviteten kan forbedres på hundrede gange sammenlignet med, hvad der blev foreslået af alle tidligere eksperimenter.

"Vi samarbejdede først med en gruppe fra Stanford (Solgaard, England, Leedle, Byer, og deres elever) – de designede og gav os en ACHIP-struktur til den første test, "Kaminer, sagde Dahan og Gorlach. "Dette blev det første eksperiment med en silicium-fotonisk chip inde i et transmissionselektronmikroskop, og havde allerede fascinerende implikationer, resulterer i endnu et papir, som snart vil blive vist i PRX, af Yuval Adiv et al."

Efterfølgende Kaminer og hans kolleger indledte et samarbejde med en anden del af ACHIP-fællesskabet, et hold ledet af Peter Hommelhoff i Erlangen Tyskland. Denne forskergruppe leverede de bedste ACHIP-strukturer i verden, som er nødvendige for, at Kaminer kan udføre dette komplicerede eksperiment.

For at generere intenst kvantelys, forskerne arbejdede tæt sammen med Eisenstein-gruppen på Technion. Denne gruppe tillod dem at bruge en speciel slags optisk forstærker:et instrument, der kan ændre lysets kvantefotonstatistikker fra en poissonsk fordeling (som i klassisk kohærent lys) til en superpoissonsk fordeling.

"Vores studie var noget af en rejse, " sagde Dahan. "Ved at kombinere alle disse forskellige elementer og gennem et meget udfordrende eksperiment ved hjælp af vores ultrahurtige transmissionselektronmikroskop, vi nåede vores primære mål:at demonstrere den første interaktion mellem en fri elektron og lys med forskellige kvanteegenskaber."

Kaminer og hans kolleger var i sidste ende i stand til at afsløre kvantekarakteren af ​​interaktionen mellem fotoner og frie elektroner ved løbende at ændre fotonstatistikken gennem deres eksperiment og vise, hvordan elektronenergispektret ændrer sig som reaktion. Ændringen i fotonstatistikken, de observerede, varierede afhængigt af intensiteten af ​​pumpen og laserfrøet i den optiske forstærker.

Den primære interaktion, som forskerne udforskede, er den, der involverer inputlys og frie elektroner. I deres eksperimenter, elektroner fungerer som detektorer for lysets tilstand. Dermed, ved at måle deres energi, forskerne var i stand til at udtrække kvanteinformation om lys.

Elektronmålingerne kan kun forklares ved at kvantisere både elektronen og lyset, som forudsagt af de teoretiske artikler, de hentede inspiration fra. "Kun én gang ved at bruge denne nye teori, overensstemmelsen med vores målinger blev meget god, " sagde Kaminer. "Fra et grundlæggende perspektiv, de vigtigste resultater af vores undersøgelse er:samspillet mellem kvantelys og en fri elektron, fremkomsten af ​​sammenfiltring i interaktionen og det kvante-klassiske korrespondanceprincip. Dette princip viser effekten af ​​en kvantevandring af elektronen og dens overgang til en tilfældig gang."

Ud over potentielt at bane vejen for ny lysrelateret fysikforskning, de eksperimentelle beviser kunne danne grundlag for udviklingen af ​​flere nye teknologier. Dette inkluderer ikke-destruktive og ikke-invasive billedbehandlingsværktøjer, der kan indsamle billeder i høj opløsning.

"For det første, vi viste, at man kan bruge frie elektroner til at måle lysets kvantefotonstatistikker, "Kaminer, sagde Dahan og Gorlach. "Der er flere fordele ved sådanne målinger, som kunne påvises i fremtiden, for eksempel, være ikke-destruktiv, har høj tidsmæssig opløsning, og sker i nærområdet med høj rumlig opløsning."

Det nylige arbejde af Kaminer og hans team beviser, at det er muligt midlertidigt at forme elektroner ved hjælp af kontinuerligt bølgelys (CW). Dette resultat kunne muliggøre integration af silicium-fotoniske chips i elektronmikroskoper for at forbedre elektronmikroskopi, for eksempel, at introducere attosecond-tidsopløsning i avancerede mikroskoper uden at skade deres rumlige opløsning.

"Vi planlægger nu at fortsætte vores arbejde i to hovedforskningsretninger, "Kaminer, sagde Dahan og Gorlach. "Den første arbejder hen imod fuld kvantetilstandstomografi af fotoniske nærfelter, som at måle klemning af lys on-chip uden behov for at udkoble lyset. En anden retning, som vi kigger ind i, er at skabe kvantelys ved hjælp af kohærent-formede elektroner, efter den vision, vi lagde ud i vores seneste teoripapir, der foreslog denne retning."

© 2021 Science X Network