Wissenschaftlern der EPFL, des Max-Planck-Instituts für multidisziplinäre Wissenschaften und der Universität Göttingen ist es gelungen, auf einem Mikrochip ein neues, hochauflösendes Licht zu erzeugen.erstmals auf kontrollierte Weise Elektronen-Photonen-Paare zu erzeugen, indem sie auf einem Chip integrierte photonische Schaltkreise verwenden. Mithilfe einer neuen Technik konnten sie die betreffenden Teilchen präzise nachweisen. Die Ergebnisse der Studie erweitern den Werkzeugkasten der Quantentechnologie.
Schnellere Computer, nahtlose Kommunikation, Sensoren jenseits der Standard-Quantengrenze: Quantentechnologien haben das Potenzial, unser Leben zu revolutionieren, wie es die Erfindung des Computers oder des Internets getan hat. Expertinnen und Experten aus der ganzen Welt versuchen, die Ergebnisse der Grundlagenforschung auf die Quantentechnologie anzuwenden.
Zu diesem Zweck benötigen sie manchmal einzelne Teilchen wie Photonen - Elementarteilchen des Lichts - mit besonderen Eigenschaften. Die Gewinnung einzelner Teilchen ist jedoch kompliziert und erfordert aufwendige Methoden. Verschiedene Anwendungen nutzen bereits freie Elektronen zur Erzeugung von Licht, wie z. B. in Röntgenröhren.
In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler des Labors für Photonik und Quantenmessungen der EPFL, des Max-Planck-Instituts für multidisziplinäre Wissenschaften (MPI-NAT) und der Universität Göttingen eine neue Methode entwickelt, mit der man die Elektronenpaare, die sich in der Nähe der Elektronenpaare befinden, in ein Paar von Elektronenpaaren verwandeln kann.Universität Göttingen stellen eine neue Methode zur Erzeugung von Hohlraumphotonen vor, bei der freie Elektronen in Paarform verwendet werden. Dazu nutzten sie chipbasierte photonische integrierte Schaltungen in einem Elektronenmikroskop.
Grundlegende Teilchenphysik in Elektronenmikroskopen
Im Experiment läuft der Strahl eines Elektronenmikroskops über einen integrierten Photonenchip, der aus einem Mikroringresonator und faseroptischen Ausgangsports besteht. Dieser neue Ansatz, bei dem an der EPFL hergestellte photonische Strukturen für Transmissionselektronenmikroskop (TEM)-Experimente am MPI-NAT verwendet werden, wurde in einer kürzlich veröffentlichten Studie etabliert.
Wenn ein Elektron mit dem Vakuumfeld des Ringresonators in Wechselwirkung tritt, kann ein Photon erzeugt werden. Während dieses Prozesses, der durch die Gesetze der Energie- und Bewegungserhaltung geregelt wird, verliert das Elektron das Energiequantum eines einzelnen Photons. Durch diese Wechselwirkung entwickelt sich das System in einen Paarzustand. Dank einer neu entwickelten Messmethode konnten die Wissenschaftler gleichzeitig die Elektronen genau nachweisen.So konnten sie die Energie der Elektronen und die erzeugten Photonen messen und so die zugrunde liegenden Zustände des Elektronen-Photon-Paares aufdecken.
Die Quantentechnologie von morgen mit freien Elektronen.
Neben der erstmaligen Beobachtung dieses Prozesses auf Einzelteilchenebene setzen diese Ergebnisse auch ein neues Konzept zur Erzeugung von Einzelphotonen oder -elektronen um. Genauer gesagt, ermöglicht die Messung des Paarzustands angekündigte Teilchenquellen, bei denen der Nachweis eines Teilchens die Erzeugung des anderen Teilchens signalisiert. Dies ist für viele Anwendungen der Quantentechnologie notwendig und erweitert ihre Palette an Werkzeugen.
"Diese Methode eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten in der Elektronenmikroskopie. Im Bereich der Quantenoptik verbessern intrifizierte Photonenpaare bereits die Bildgebung. Dank unserer Arbeit können diese Konzepte nun auch mit Elektronen erforscht werden", erklärt Claus Ropers, Direktor des MPI-NAT.
Im ersten Experiment zur Demonstration des Prinzips nutzen die Forscherinnen und Forscher die erzeugten korrelierten Elektronen-Photonen-Paare für die Bildgebung im Photonenmodus, wodurch der Kontrast um drei Größenordnungen verbessert werden kann. Yujia Yang, Postdoktorand an der EPFL und Co-Hauptautor der Studie, fügt hinzu: "Wir glauben, dass unsere Arbeit große Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung der Elektronenmikroskopie haben wird, indem sie die Macht der Quantentechnologie nutzt."
Eine besondere Herausforderung für die Quantentechnologie der Zukunft ist die Frage, wie man verschiedene physikalische Systeme miteinander verknüpfen kann. "Zum ersten Mal führen wir freie Elektronen in den Werkzeugkasten der Quanteninformationswissenschaft ein. Ganz allgemein könnte die Kopplung von freien Elektronen und Licht mittels integrierter Photonik den Weg zu einer neuen Kategorie von hybriden Quantentechnologien ebnen", sagt Tobias Kippenberg, Professor an der EPFL und Leiter des Labors für Photonik und Quantenmessungen.
Die Arbeiten, die aus der Zusammenarbeit der beiden Teams hervorgegangen sind, tragen zum aufstrebenden Bereich der Quantenoptik mit freien Elektronen bei und bilden eine solide experimentelle Plattform für ereignis- und photonenbasierte Spektroskopie und Elektronenbildgebung. "Unsere Arbeit stellt einen Meilenstein für die Nutzung quantenoptischer Konzepte in der Elektronenmikroskopie dar. Wir planen, zukünftige Richtungen wie exotische photonische Zustände, die von Elektronen angekündigt werden, und die Verringerung des Rauschens in der Elektronenmikroskopie weiter zu erforschen", sagt Guanhao Huang, Doktorand an der EPFL und Hauptkoautor der Studie.
Die Siliziumnitridproben wurden am Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) der EPFL entwickelt.
Referenzen
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). Cavity-mediated electron-photon pairs. Science, 377(6607), 777’780.
DOI: 10.1126/science.abo5037.
