Technionprofessorn Ido Kaminer och hans team har gjort ett dramatiskt genombrott inom kvantvetenskap:ett kvantmikroskop som registrerar ljusflödet, möjliggör direkt observation av ljus fångat inuti en fotonisk kristall.

Deras forskning, "Koherent interaktion mellan fria elektroner och en fotonisk kavitet, "publicerades i Natur . Alla experimenten utfördes med ett unikt ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop vid Technion-Israel Institute of Technology. Mikroskopet är det senaste och mest mångsidiga av en handfull som finns i den vetenskapliga världen.

"Vi har utvecklat ett elektronmikroskop som producerar, vad är i många avseenden, den bästa optiska närfältsmikroskopin i världen. Med hjälp av vårt mikroskop, vi kan ändra färgen och vinkeln på ljuset som lyser upp alla prov av nanomaterial och kartlägga deras interaktioner med elektroner, som vi visade med fotoniska kristaller, " förklarade prof. Kaminer. "Detta är första gången vi faktiskt kan se ljusets dynamik medan det är fångat i nanomaterial, snarare än att förlita sig på datorsimuleringar, " tillade Dr. Kangpeng Wang, en postdoc i gruppen och första författare på tidningen.

Alla experiment utfördes på det ultrasnabba överföringselektronmikroskopet i Robert och Ruth Magid Electron Beam Quantum Dynamics Laboratory under ledning av prof. Kaminer. Han är fakultetsmedlem vid Andrew och Erna Viterbi fakulteten för elektroteknik och Solid State Institute, och ansluten till Helen Diller Quantum Center och Russell Berrie Nanotechology Institute. I forskargruppen ingår också:Dr. Kangpeng Wang, Raphael Dahan, Michael Shentcis, Dr Yaron Kauffmann, Adi Ben-Hayun, Ori Reinhardt, och Shai Tsesses.

Långtgående tillämpningar

Detta genombrott kommer sannolikt att påverka många potentiella applikationer, inklusive design av nya kvantmaterial för lagring av kvantbitar med större stabilitet. Liknande, det kan hjälpa till att förbättra skärpan i färger på mobiltelefoner och andra typer av skärmar.

"Det kommer att få en ännu bredare inverkan när vi undersöker mer avancerade nano-/kvantmaterial. Vi har ett extremt högupplöst mikroskop och vi börjar utforska nästa steg, " Prof. Kaminer utvecklade. "T.ex. de mest avancerade skärmarna i världen idag använder QLED-teknik baserad på kvantprickar, gör det möjligt att kontrollera färgkontrasten med en mycket högre definition. Utmaningen är hur man kan förbättra kvaliteten på dessa små kvantprickar på stora ytor och göra dem mer enhetliga. Detta kommer att förbättra skärmupplösningen och färgkontrasten ännu mer än vad nuvarande teknik möjliggör. "

En ny sorts kvantmateria

Det ultrasnabba transmissionselektronmikroskopet i Prof. Kaminers AdQuanta-labb har en accelerationsspänning som varierar från 40 kV till 200 kV (accelererar elektroner till 30-70 % av ljusets hastighet). och ett lasersystem med under 100 femtosekundspulser vid 40 Watt. Det ultrasnabba elektrontransmissionsmikroskopet är en femtosekundspump-sonduppställning som använder ljuspulser för att excitera provet och elektronpulser för att sondera provets transienta tillstånd. Dessa elektronpulser penetrerar provet och avbildar det. Inkluderandet av flerdimensionella funktioner i en uppsättning är extremt användbart för fullständig karaktärisering av objekt i nanoskala.

Kärnan i genombrottet ligger det faktum att framsteg inom forskningen av ultrasnabba fri-elektron-ljus-interaktioner har introducerat en ny typ av kvantmateria - kvantfria-elektron-"vågpaket". Förr, kvantelektrodynamik (QED) studerade interaktionen mellan kvantmateria och kavitetsljuslägen, vilket har varit avgörande för utvecklingen av den underliggande fysiken som utgör kvantteknologiernas infrastruktur. Dock, alla experiment hittills har bara fokuserat på ljus som interagerar med bundna elektronsystem - som atomer, kvantprickar, och kvantkretsar - som är väsentligt begränsade i sina fasta energitillstånd, spektralområde, och urvalsregler. Kvantfria vågpaket med fria elektroner, dock, har inga sådana gränser. Trots flera teoretiska förutsägelser om spännande nya kavitetseffekter med fria elektroner, ingen fotonisk kavitetseffekt har tidigare observerats för fria elektroner, på grund av grundläggande begränsningar för styrkan och varaktigheten av interaktionen.

Prof. Deras unika mikroskop uppnådde rekordoptiska närfältskartor genom att utnyttja elektronernas kvantnatur, som verifierades genom att observera Rabi-svängningar i elektronspektrumet som inte kan förklaras av ren klassisk teori.

Mer effektiva fria elektron-kavitet-foton-interaktioner kan möjliggöra stark koppling, fotonkvanttillståndssyntes, och nya icke-linjära kvantfenomen. Området för elektronmikroskopi och ytterligare områden inom frielektronfysik kan vinna på fusionen med fotoniska kaviteter, möjliggör lågdos, ultrasnabb elektronmikroskopi av mjukt material eller andra strålkänsliga material.

Prof. Kaminer hoppas att mikroskopet kommer att tjäna det bredare Technion-samhället inom andra forskningsområden. "Jag skulle vilja vårda tvärvetenskapligt samarbete, " noterade han.