Una vista d’artista dell’accoppiamento della fotografia © Ryan Allen / Second Bay StudiosGli scienziati dell’EPFL, dell’Istituto Max Planck per le Scienze Multidisciplinari e dell’Università di Gottinga sono riusciti a creare per la prima volta coppie elettrone-fotone in modo controllato utilizzando circuiti fotonici integrati in un chip.coppie elettrone-fotone per la prima volta in modo controllato, utilizzando circuiti fotonici integrati su chip. Utilizzando una nuova tecnica, sono stati in grado di rilevare con precisione le particelle coinvolte. I risultati dello studio ampliano la gamma di strumenti della tecnologia quantistica.
Computer più veloci, comunicazione continua, sensori oltre il limite standard dei quanti: le tecnologie quantistiche hanno il potenziale per rivoluzionare le nostre vite, proprio come l’invenzione del computer o di Internet. Esperti di tutto il mondo stanno cercando di applicare i risultati della ricerca fondamentale alle tecnologie quantistiche.
A questo scopo, a volte hanno bisogno di singole particelle come i fotoni - particelle elementari della luce - con particolari proprietà. Tuttavia, ottenere le singole particelle è complicato e richiede metodi complessi. Varie applicazioni utilizzano già gli elettroni liberi per generare luce, come nei tubi a raggi X.
In un recente studio pubblicato sulla rivista Science , gli scienziati del Laboratory for Photonics and Quantum Measurements dell’EPFL, dell’Istituto Max Planck per le Scienze Multidisciplinari (MPI-NAT) e dell’Istituto di ricerca di New York, hanno dimostrato di essere in grado di fornire un’analisi di qualità.L’Università di Göttingen presenta un nuovo metodo per creare fotoni a cavità utilizzando elettroni liberi in coppia. A tal fine, hanno utilizzato circuiti integrati fotonici basati su chip in un microscopio elettronico.
Fisica delle particelle di base nei microscopi elettronici
Nell’esperimento, il fascio del microscopio elettronico viene fatto passare su un chip fotonico integrato, costituito da un micro risonatore ad anello e da porte di uscita in fibra ottica. Questo nuovo approccio, che utilizza strutture fotoniche fabbricate all’EPFL per esperimenti al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) eseguiti all’MPI-NAT, è stato stabilito in uno studio recente.
Quando un elettrone interagisce con il campo di vuoto del risonatore ad anello, può essere generato un fotone. Durante questo processo, governato dalle leggi di conservazione dell’energia e della quantità di moto, l’elettrone perde il quanto di energia di un singolo fotone. Attraverso questa interazione, il sistema si evolve in uno stato di coppia. Grazie a un metodo di misurazione recentemente sviluppato, gli scienziati sono riusciti a rilevare con precisione l’energia di elettroni e fotoni contemporaneamente. energia degli elettroni e dei fotoni generati, rivelando così gli stati sottostanti della coppia elettrone-fotone.
La tecnologia quantistica di domani con gli elettroni liberi
Oltre a osservare per la prima volta questo processo a livello di singola particella, questi risultati implementano un nuovo concetto di creazione di singoli fotoni o elettroni. In particolare, la misurazione dello stato di coppia consente di annunciare fonti di particelle, dove la rilevazione di una particella segnala la creazione dell’altra particella. Questo è necessario per molte applicazioni della tecnologia quantistica e ne arricchisce la dotazione di strumenti.
"Questo metodo apre nuove affascinanti possibilità nella microscopia elettronica. Nel campo dell’ottica quantistica, le coppie di fotoni entangled stanno già migliorando l’imaging. Grazie al nostro lavoro, questi concetti possono ora essere esplorati con gli elettroni", spiega Claus Ropers, direttore dell’MPI-NAT.
Nel primo esperimento di prova del principio, i ricercatori utilizzano le coppie elettrone-fotone correlate generate per l’imaging in modalità fotone, ottenendo un contrasto migliore di tre ordini di grandezza. Yujia Yang, borsista post-dottorato presso l’EPFL e co-autore dello studio, ha aggiunto: "Crediamo che il nostro lavoro avrà grandi implicazioni per lo sviluppo futuro della microscopia elettronica, sfruttando la potenza della tecnologia quantistica".
Una sfida particolare per la futura tecnologia quantistica è come interfacciare diversi sistemi fisici. "Per la prima volta, stiamo introducendo gli elettroni liberi nella cassetta degli attrezzi della scienza dell’informazione quantistica. Più in generale, l’accoppiamento di elettroni liberi e luce attraverso la fotonica integrata potrebbe aprire la strada a una nuova classe di tecnologie quantistiche ibride", afferma Tobias Kippenberg, professore all’EPFL e direttore del Laboratory for Quantum Photonics and Measurement.
Il lavoro, frutto della collaborazione tra i due team, contribuisce al campo emergente dell’ottica quantistica degli elettroni liberi e fornisce una solida piattaforma sperimentale per la spettroscopia elettronica e l’imaging basato su eventi e fotoni. "Il nostro lavoro rappresenta un passo fondamentale verso l’utilizzo di concetti ottici quantistici nella microscopia elettronica. Abbiamo in programma di esplorare ulteriormente le direzioni future, come gli stati fotonici esotici annunciati dagli elettroni e la riduzione del rumore nella microscopia elettronica.Abbiamo in programma di esplorare ulteriormente le direzioni future, come gli stati fotonici esotici annunciati dagli elettroni e la riduzione del rumore nella microscopia elettronica", afferma Guanhao Huang, dottorando presso l’EPFL e coautore dello studio.
I campioni di nitruro di silicio sono stati sviluppati presso il Centro di MicroNanoTecnologia (CMi) dell’EPFL.
Riferimenti
Armin Feist, Guanhao Huang, Germaine Arend, Yujia Yang, Jan-Wilke Henke, Arslan Sajid Raja, F. Jasmin Kappert, Rui Ning Wang, Hugo Lourenço-Martins, Zheru Qiu, Junqiu Liu, Ofer Kfir, Tobias J. Kippenberg, & Claus Ropers (2022). Coppie elettrone-fotone mediate da cavità. Scienza, 377(6607), 777’780 .
DOI: 10.1126/science.abo5037
