I konventionell holografi kan en fotografisk film registrera interferensmönstret för monokromatiskt ljus spritt från objektet som ska avbildas med en referensstråle av ospridt ljus. Forskare kan sedan belysa den utvecklade bilden med en kopia av referensstrålen för att skapa en virtuell bild av det ursprungliga objektet. Holografi föreslogs ursprungligen av fysikern Dennis Gabor 1948 för att förbättra upplösningen av ett elektronmikroskop, demonstreras med hjälp av ljusoptik. Ett hologram kan bildas genom att fånga fas- och amplitudfördelningen av en signal genom att överlagra den med en känd referens. Det ursprungliga konceptet följdes av holografi med elektroner, och efter uppfinningen av lasrar blev optisk holografi en populär teknik för makroskopiska objekt i 3D, informationskryptering och mikroskopi avbildning.

Dock, att förlänga hologram till den ultrasnabba domänen är för närvarande en utmaning med elektroner, även om utvecklingen av tekniken skulle möjliggöra högsta möjliga kombinerade spatiotemporal upplösning för avancerade avbildningstillämpningar inom kondenserad fysik. I en ny studie som nu publicerats i Vetenskapliga framsteg , Ivan Madan och ett tvärvetenskapligt forskargrupp vid avdelningarna för Ultrafast Microscopy and Electron Scattering, Fysik, Vetenskap och teknik i Schweiz, Storbritannien och Spanien, detaljerade utvecklingen av ett hologram med hjälp av lokala elektromagnetiska fält. Forskarna erhöll de elektromagnetiska hologrammen med kombinerad attosekund/nanometerupplösning i ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop (UEM).

I den nya metoden, forskarna förlitade sig på elektromagnetiska fält för att dela en elektronvågsfunktion i en kvant koherent superposition av olika energistatus. Tekniken avvek från den konventionella metoden, där signalen av intresse och referens rumsligt separerade och rekombinerade för att rekonstruera amplituden och fasen av en signal av intresse för att därefter bilda ett hologram. Principen kan utvidgas till alla typer av detekteringskonfigurationer som innefattar en periodisk signal som kan genomgå störningar, inklusive ljudvågor, Röntgenstrålar eller femtosekundpulsvågformer.

Ytterligare framsteg i studien av holografi resulterade i tidsupplöst optisk holografi, framgångsrikt realiserad i femtosekundregimen för förbättrad rumslig upplösning vid tidsupplöst fotoemissionselektronspektroskopi (tr-PEEM). Att nå den ultrasnabba domänen kan också bli verklighet, på grund av den senaste utvecklingen inom ultrasnabb överföringselektronmikroskopi med femtosekundlasrar för att skapa ultrasnabba elektronpulser. Utvecklingen har möjliggjort filmning i realtid av kollektiva elektroniska lägen, töjningsfält och magnetiska strukturer med en upplösning på några hundra femtosekunder.

I det nya arbetet, Madan et al. visat en teknik för tidsdomänholografi i ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop (UEM). De baserade tekniken på kvant koherent interaktion mellan elektronvågspaket med flera optiska fält. För att illustrera metoden, Madan et al. fångade attosekund/nanometerupplösta faskänsliga filmer av snabbt utvecklande elektromagnetiska fält i plasmoniska strukturer. Forskarna implementerade två viktiga experimentella metoder i studien i ett tillvägagångssätt för att parallellt komma åt kvantkoherensen hos generiska elektroniska tillstånd. Arbetet kommer att vara relevant för ytterligare elektronkvantoptikapplikationer.

Som en enkel implementering av det holografiska UEM, forskarna baserade den lokala interferensen mellan två fält på två förökande ytplasmonpolaritoner (SPP) (dvs en kollektiv svängningsvåg av fria elektroner längs en metall). De beskrev interaktionsmekanismen för elektronpulsen med en enda SPP med konventionell fotoninducerad, nära fältelektronmikroskopi (PINEM) och undersökte sedan jämförande de hologram som producerades via interferensen mellan två SPP i en lokal holografisk PINEM. Under konventionell PINEM, elektroner kan oelastiskt absorbera eller avge foton energikvanta och filtrera oelastiskt spridda elektroner för att tillåta bildning av bilder i verkliga rymden av plasmonfälten.

För att implementera det holografiska PINEM -konceptet, Madan et al. använde en experimentell nanostruktur bestående av två vinkelräta slitsar, består av silver (Ag) film tillverkad av gallium (Ga) jonfräsning, avsatt på ett kiselnitridmembran (Si ₃ N ₄ ). De utförde experimenten i ett modifierat transmissionselektronmikroskop. I arbetet, forskarna använde en andra SPP -våg som referens och skapade ett interferensmönster med SPP av intresse för att bilda ett hologram när båda vågorna överlappade i rum och tid. Forskarna observerade hologram bildade av de 2 SPP:erna med relativa pulsfördröjningar på -77, -20, 0 och 22 femtosekunder genom energifiltrering av oelastiskt spridda elektroner.

Madan et al. generaliserade det holografiska tillvägagångssättet med hjälp av koherensen mellan olika energitillstånd i kvantstegen, där elektronvågsfunktionen delas vid interaktion med ljus. Eftersom elektroner bär information om amplituden och fasen i det optiska fältet, även efter avslutad interaktion, forskarna utnyttjade detta faktum för att möjliggöra kvantholografi. I experimenten, de använde ett halvt oändligt ljusfält skapat av reflektionen av den optiska strålen från en elektron transparent transparent spegel, för att skapa ett materialoberoende referensfält. Uppsättningen tillät nästan konstant rumslig amplitud och fas att förbereda ett optimalt referensfält för holografi i studien.

I samband med denna studie, kvant koherens i ett elektrontillstånd hänvisade inte till koherensen mellan elektroner, men till ett mått på monokromatik (singularitet) och fasstabilitet hos elektronplanvågan. Madan et al. använde termen för att avgöra om en elektron befann sig i ett rent tillstånd eller intrasslat tillstånd i miljön. I kvant bemärkelse, därför, fasen mellan olika energilägen bestämdes av tidsutvecklingsoperatören och inte slumpmässigt.

Forskarna rekonstruerade sedan den komplexa elektriska fältfördelningen kring 3D-partiklar eller nanostrukturer. De visade att den matematiska ekvivalensen av lokal plasmonholografi och rumsligt åtskild kvantholografi möjliggjorde att de inspelade hologramen behandlades med samma formalism av förökande stående vågor. Madan et al. presenterade sålunda en observation av denna effekt genom att spela in hologram som bildats av den lutande vågfronten av ljuset som reflekteras från en silverspegel och en plasmonvåg som avges från ett hål huggat i silverskiktet. Det resulterande mönstret uppvisade en periodicitet som naturligt saknades från ett lutande hologram.

Med hjälp av modellberäkningar, Madan et al. diskriminerade mellan en mycket koherent (ren) och helt osammanhängande (helt blandad) elektrondistribution. För detta, de modellerade densitetsmatrisen för bildade fotoelektroner, till exempel, med UV -belysning av ett fast mål. De samordnade sedan elektronstaterna för att interagera med en resande plasmonpolariton i den experimentella installationen. Genom att observera elektronenergifördelningen, forskarna kunde fastställa om det fanns partiell koherens i de fotoemitterade elektronerna. Baserat på observationen, de föreslog en ytterligare förlängning av UEM holografisk avbildning för att praktiskt realisera kvantholografisk UEM. Forskarna föreställer sig att använda tekniken för att studera potentiella intressanta objekt, såsom atompolarisering, excitoner, fononer, Higgs och andra kollektiva och kvasipartikulära excitationer i kondenserade materiesystem i framtiden.

Föreliggande arbete gav tillräcklig information för att rekonstruera den fullständiga densitetsmatrisen för ett okänt elektroniskt tillstånd, liknande ett tidigare tillvägagångssätt för rekonstruktion av kvanttillstånd med attosekundpulståg. Men till skillnad från tidigare arbete, denna metod kan också använda välkontrollerade SPP-fält för att realisera ett antal projektiva mätningar parallellt.

På detta sätt Madan et al. visat både lokala och rumsligt åtskilda holografiska metoder baserade på ultrasnabb transmissionselektronmikroskopi (UEM). Forskarna visade att teknikens icke -lokala karaktär tillät att helt koppla bort referens- och sondfält, vilket inte tidigare var möjligt med nära fält optiska eller fotoemissionsmikroskopitekniker. Arbetet erbjuder ett unikt perspektiv för att uppnå atomär och sub-femtosekund kombinerad upplösning inom ett transmissionsmikroskop. Metoden kommer att tillåta en rumsligt upplöst detektionsmetod för koherenser i elektronkvanttillstånd med stor potential för elektronkvantholografi och ytterligare tillämpningar.

© 2019 Science X Network