Prof. Ido Kaminer und sein Team haben einen dramatischen Durchbruch auf dem Gebiet der Quantenwissenschaft erzielt: ein Quantenmikroskop, das den Lichtfluss aufzeichnet und die direkte Beobachtung von Licht ermöglicht, das in einem photonischen Kristall gefangen ist.
Ihre Forschung “Kohärente Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und einem photonischen Hohlraum” wurde in Nature veröffentlicht. Alle Experimente wurden mit einem einzigartigen ultraschnellen Transmissionselektronenmikroskop bei Technion durchgeführt. Das Mikroskop ist das neueste und vielseitigste von einer Handvoll, die es ü berhaupt in der wissenschaftlichen Welt gibt.
“Wir haben ein Elektronenmikroskop entwickelt, das in vielerlei Hinsicht die beste optische Nahfeldmikroskopie der Welt ermöglicht. Mit unserem Mikroskop können wir die Farbe und den Winkel des Lichts ändern, das jede Probe von Nanomaterialien beleuchtet, und ihre Wechselwirkungen mit Elektronen abbilden, wie wir es mit photonischen Kristallen demonstriert haben”, erklärte Kaminer.
“Dies ist das erste Mal, dass wir tatsächlich die Dynamik von Licht sehen können, während es in Nanomaterialien eingeschlossen ist, anstatt uns auf Computersimulationen zu verlassen”, fügte Dr. Kangpeng Wang, eine Postdoc in der Gruppe und Erstautorin der Arbeit, hinzu.
Alle Experimente wurden auf dem ultraschnellen Transmissionselektronenmikroskop im Robert and Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory unter der Leitung von Kaminer durchgeführt. Prof. Ido Kaminer ist Fakultätsmitglied an der Andrew und Erna Viterbi Fakultät für Elektrotechnik und am Solid State Institute. Kaminer ist mit dem Helen Diller Quantum Center und dem Russell Berrie Nanotechology Institute verbunden. Zum Forschungsteam gehören auch: Dr. Kangpeng Wang, Raphael Dahan, Michael Shentcis, Dr. Yaron Kauffmann, Adi Ben-Hayun, Ori Reinhardt und Shai Tsesses.
Weitreichende Anwendungen
Dieser Durchbruch wird wahrscheinlich Auswirkungen auf zahlreiche potenzielle Anwendungen haben, einschließlich der Entwicklung neuer Quantenmaterialien zur Speicherung von Quantenbits mit größerer Stabilität. Ebenso kann er dazu beitragen, die Schärfe der Farben auf Mobiltelefonen und anderen Arten von Bildschirmen zu verbessern.
“Es wird einen noch größeren Einfluss haben, sobald wir fortgeschrittenere Nano-/Quantenmaterialien untersuchen. Wir verfügen über ein extrem hochauflösendes Mikroskop, und wir beginnen mit der Erforschung der nächsten Stufen”, erklärte Prof. Kaminer.
“Beispielsweise verwenden die fortschrittlichsten Bildschirme der Welt heute die auf Quantenpunkten basierende QLED-Technologie, die es ermöglicht, den Farbkontrast mit einer viel höheren Auflösung zu kontrollieren. Die Herausforderung besteht darin, wie man die Qualität dieser winzigen Quantenpunkte auf großen Oberflächen verbessern und sie gleichmäßiger machen kann. Dies wird die Bildschirmauflösung und den Farbkontrast noch stärker verbessern, als es die derzeitigen Technologien ermöglichen”.
Eine neue Art von Quantenmaterie
Das ultraschnelle Transmissionselektronenmikroskop in Prof. Kaminer’s AdQuanta-Labor hat eine Beschleunigungsspannung, die von 40 kV bis 200 kV variiert (beschleunigt Elektronen auf 30-70% der Lichtgeschwindigkeit), und ein Lasersystem mit Pulsen von unter 100 Femtosekunden bei 40 Watt.
Das ultraschnelle Elektronen-Transmissionsmikroskop ist ein Femtosekunden-Pumpsonden-Aufbau, der Lichtpulse zur Anregung der Probe und Elektronenpulse zur Sondierung des Transientenzustands der Probe verwendet. Diese Elektronenimpulse durchdringen die Probe und bilden sie ab. Die Einbeziehung mehrdimensionaler Fähigkeiten in einem Aufbau ist äußerst nützlich für die vollständige Charakterisierung von Objekten im Nanobereich.
Im Zentrum des Durchbruchs steht die Tatsache, dass Fortschritte in der Erforschung ultraschneller Freie-Elektronen-Licht-Wechselwirkungen eine neue Art von Quantenmaterie eingeführt haben – Quanten-Freie-Elektronen-‘Wellenpakete’. In der Vergangenheit hat die Quantenelektrodynamik (QED) die Wechselwirkung von Quantenmaterie mit Hohlraum-Lichtmoden untersucht, was für die Entwicklung der zugrundeliegenden Physik, die die Infrastruktur der Quantentechnologien bildet, von entscheidender Bedeutung war.
Alle bisherigen Experimente konzentrierten sich jedoch nur auf Licht, das mit gebundenen Elektronensystemen – wie Atomen, Quantenpunkten und Quantenschaltkreisen – wechselwirkt, die in ihren festen Energiezuständen, ihrem Spektralbereich und ihren Auswahlregeln erheblich eingeschränkt sind.
Quanten-Freie-Elektronen-Wellenpakete haben jedoch keine solchen Grenzen. Trotz mehrfacher theoretischer Vorhersagen von aufregenden neuen Hohlraumeffekten mit freien Elektronen wurde bisher kein photonischer Hohlraumeffekt für freie Elektronen beobachtet, da fundamentale Grenzen für die Stärke und Dauer der Wechselwirkung bestehen.
Prof. Kaminer und sein Team haben eine experimentelle Plattform für die mehrdimensionale Untersuchung von Freie-Elektronen-Wechselwirkungen mit Photonen auf der Nanoskala entwickelt. Ihr einzigartiges Mikroskop erstellte optische Nahfeldkarten, indem es die Quantennatur der Elektronen ausnutzte, die durch Beobachtung von Rabi-Schwingungen des Elektronenspektrums verifiziert wurden, die mit der reinen klassischen Theorie nicht erklärt werden können.
Effizientere Freie-Elektron-Hohlraum-Photon-Wechselwirkungen könnten eine starke Kopplung, die Synthese von Photonenquantenzuständen und neuartige quantennichtlineare Phänomene ermöglichen. Der Bereich der Elektronenmikroskopie und weitere Bereiche der Physik der freien Elektronen könnten von der Fusion mit photonischen Kavitäten profitieren, was eine niedrig dosierte, ultraschnelle Elektronenmikroskopie weicher Materie oder anderer strahlungsempfindlicher Materialien ermöglichen würde.
Prof. Kaminer hofft, dass das Mikroskop der breiteren Technion-Gemeinschaft in anderen Forschungsbereichen dienen wird. “Ich möchte die interdisziplinäre Zusammenarbeit fördern”, bemerkte er.
Das Robert und Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Lab befindet sich im Zentrum für Elektronenmikroskopie in der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften.
Quelle/Sender: Technion