I flera decennier, fysiker har känt till att ljus kan beskrivas samtidigt som en våg och en partikel. Denna fascinerande "dualitet" av ljus beror på den klassiska och kvanta naturen hos elektromagnetiska excitationer, de processer genom vilka elektromagnetiska fält produceras.

Än så länge, i alla experiment där ljus interagerar med fria elektroner, det har beskrivits som en våg. Forskare vid Technion—Israel Institute of Technology, dock, har nyligen samlat de första experimentella bevisen som avslöjar kvantnaturen hos interaktionen mellan fotoner och fria elektroner. Deras fynd, publicerad i Vetenskap , kan få viktiga konsekvenser för framtida forskning som undersöker fotoner och deras interaktion med fria elektroner.

"Idén till vår studie kom först till oss för ungefär två år sedan, efter vår experimentella upptäckt att interaktionen mellan en fri elektron och ljus kan bibehålla sin koherens över avstånd på hundra gånger den optiska perioden, "Raphael Dahan, Alexey Gorlach och Ido Kaminer, tre av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org via e -post. "Ungefär den här tiden, två viktiga teoretiska verk kom också ut, som båda undersökte hur ljusets kvantegenskaper skulle förändra interaktionen med elektroner."

Dessa två tidigare teoretiska studier, en av Ofer Kfir vid universitetet i Göttingen och den andra av Javier García de Abajo och hans kollegor vid Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), förutspådde en ny typ av fundamental interaktion som sker mellan ljus och fria elektroner, avslöjar ljusets kvantegenskaper. Med inspiration från dessa viktiga förutsägelser, Kaminer, Dahan, Gorlach och deras kollegor började leta efter ett system där de skulle kunna undersöka denna interaktion experimentellt. Mer specifikt, forskarna ville visa att ljusets kvantstatistik kan förändra elektron-ljusinteraktionen.

"Detta fick oss att leta efter två viktiga komponenter, "Kaminer, Dahan och Gorlach förklarade. "Den första är en enhet som kommer att ha bättre koppling mellan elektronen och ljuset, och den andra är en fotonisk källa som kommer att generera kvantljus med högsta möjliga intensitet."

För att uppnå en högre kopplingseffektivitet, forskarna rådfrågade medlemmar av accelerator on-chip (ACHIP) forskningsgemenskap, som syftar till att uppnå kompakt elektronacceleration med hjälp av lasrar och integrera den on-chip. Efter en rad beräkningar, teamet fann att kopplingseffektiviteten kan förbättras på hundra gånger jämfört med vad som föreslagits av alla tidigare experiment.

"Vi samarbetade först med en grupp från Stanford (Solgaard, England, Leedle, Byer, och deras elever) – de designade och försåg oss med en ACHIP-struktur för det första testet, "Kaminer, Sa Dahan och Gorlach. "Detta blev det första experimentet med ett kisel-fotoniskt chip inuti ett transmissionselektronmikroskop, och redan haft fascinerande konsekvenser, vilket resulterar i ytterligare ett papper som snart kommer att dyka upp i PRX, av Yuval Adiv et al."

Senare, Kaminer och hans kollegor inledde ett samarbete med en annan del av ACHIP -gemenskapen, ett team ledd av Peter Hommelhoff på Erlangen Tyskland. Denna forskargrupp tillhandahöll världens bästa ACHIP-strukturer som krävs för att Kaminer ska kunna genomföra detta komplicerade experiment.

För att generera intensivt kvantljus, forskarna arbetade nära Eisenstein-gruppen på Technion. Denna grupp tillät dem att använda en speciell sorts optisk förstärkare:ett instrument som kan ändra ljusets kvantfotonstatistik från en poissonsk fördelning (som i klassiskt koherent ljus) till en superpoissonisk fördelning.

"Vår studie var en ganska resa, " Sa Dahan. "Kombinerar alla dessa olika element och genom ett mycket utmanande experiment med vårt ultrasnabba transmissionselektronmikroskop, vi uppnådde vårt primära mål:att demonstrera den första interaktionen mellan en fri elektron och ljus med olika kvantegenskaper."

Kaminer och hans kollegor kunde i slutändan avslöja kvantnaturen hos interaktionen mellan fotoner och fria elektroner genom att kontinuerligt ändra fotonstatistiken under hela deras experiment och visa hur elektronenergispektrumet förändras som svar. Förändringen i fotonstatistiken som de observerade varierade beroende på intensiteten hos pumpen och laserfröet i den optiska förstärkaren.

Den primära interaktion som forskarna utforskade är den som involverar ingångsljus och fria elektroner. I deras experiment, elektroner fungerar som detektorer för ljusets tillstånd. Således, genom att mäta sin energi, forskarna kunde extrahera kvantinformation om ljus.

Elektronmätningarna kan bara förklaras genom att kvantisera både elektronen och ljuset, som förutspåtts av de teoretiska artiklarna de hämtade inspiration från. "Bara en gång använde denna nya teori, överensstämmelsen med våra mått blev mycket bra, ", sa Kaminer. "Ur ett grundläggande perspektiv, de viktigaste resultaten av vår studie är:interaktionen mellan kvantljus och en fri elektron, uppkomsten av intrassling i interaktionen och den kvantklassiska korrespondensprincipen. Denna princip visar effekten av en kvantvandring av elektronen och dess övergång till en slumpmässig promenad."

Förutom att potentiellt bana väg för ny ljusrelaterad fysikforskning, de experimentella bevisen kan informera utvecklingen av flera nya tekniker. Detta inkluderar icke-destruktiva och icke-invasiva bildverktyg som kan samla in högupplösta bilder.

"För det första, vi visade att man kan använda fria elektroner för att mäta ljusets kvantfotonstatistik, "Kaminer, Sa Dahan och Gorlach. "Det finns flera fördelar med sådana mätningar som skulle kunna demonstreras i framtiden, till exempel, vara oförstörande, har hög tidsupplösning, och händer i närområdet med hög rumslig upplösning."

Det senaste arbetet av Kaminer och hans team bevisar att det är möjligt att tillfälligt forma elektroner med hjälp av kontinuerlig våg (CW) ljus. Detta resultat skulle kunna möjliggöra integrering av kisel-fotonchips i elektronmikroskop för att förbättra elektronmikroskopi, till exempel, att introducera attosecond-tidsupplösning i toppmoderna mikroskop utan att skada deras rumsliga upplösning.

"Vi planerar nu att fortsätta vårt arbete i två huvudsakliga forskningsriktningar, "Kaminer, Sa Dahan och Gorlach. "Den första arbetar mot full kvanttillståndstomografi av fotoniska närfält, som att mäta klämning av ljus på chip utan att behöva koppla bort ljuset. En annan riktning som vi tittar på är att skapa kvantljus med hjälp av koherent formade elektroner, efter visionen som vi lade fram i vårt senaste teoridokument som föreslog denna riktning."

© 2021 Science X Network