Nature：記錄光子流動的新型量子顯微鏡

2020-06-22 16:17

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 長光所Light中心中國光學(xué)

封面圖：量子顯微鏡

圖片來源： AMERICAN TECHNION SOCIETY

撰稿 | 陳飛

導(dǎo)讀

超快自由電子和光之間相互作用的研究進展引入了一種以前未知的量子物質(zhì)，量子自由電子波包。迄今為止，腔體中的光與量子物質(zhì)相互作用的研究主要集中在原子、量子點和量子電路等束縛電子系統(tǒng)上，這些束縛電子系統(tǒng)在很大程度上受到其固定的能態(tài)、光譜范圍和選擇規(guī)律的限制。而量子自由電子波包沒有這樣的限制，但迄今為止還沒有實驗表明光子腔對量子自由電子波包的影響。

近日，Ido Kaminer 教授帶領(lǐng)的團隊在世界頂尖期刊 Nature 上發(fā)表文章，他們開發(fā)了一套觀察自由電子與光子腔的相互作用的多維納米尺度的成像和光譜學(xué)平臺。利用這臺超快電子透射顯微鏡可以改變照亮任何納米材料樣品的光的顏色和角度，并繪制光子與電子的相互作用。這是人們第一次真正看到光被困在納米材料中的動態(tài)，而不是依靠計算機模擬。

這一突破可能會對許多潛在的應(yīng)用產(chǎn)生影響，包括用于更穩(wěn)定地存儲量子比特的新型量子材料的設(shè)計。同樣，它可以幫助提高手機和其他屏幕的色彩清晰度。

視頻（3′27″）：記錄光子流動的新型量子顯微鏡

視頻來源：Technion

背景介紹

由倏逝光場介導(dǎo)的自由電子和激光脈沖之間的超快相互作用，使得在納米尺度上探索飛秒動力學(xué)的強大工具得以發(fā)展。這種類型的相互作用,稱為光子誘導(dǎo)近場電子顯微鏡(PINEM)，被用來演示激光驅(qū)動自由電子的量子游走,阿托秒電子脈沖序列、轉(zhuǎn)移角動量的近場自由電子和在毫電子伏特級別的能量分辨率的等離子體光學(xué)成像技術(shù)(激光誘導(dǎo))。相互作用后，電子分裂成一個由光子能量?ω等距的量子疊加態(tài)的狀態(tài)，也就是說電子跨越了構(gòu)成一種新型量子物質(zhì)的能級的“階梯”。人們因此受到啟發(fā)，將這樣一個自由電子放置在具有大品質(zhì)因子(Q)的腔中，以與腔中的束縛電子系統(tǒng)相同的方式改變這種量子相干激發(fā)的性質(zhì)。

與束縛電子相比，自由電子可以在更高的能量尺度和更短的時間尺度上相互作用。與束縛電子不同的是，束縛電子被限制在離散的能級上，自由電子占據(jù)連續(xù)的能量，可以用可調(diào)諧的方式量化成電子能量階梯。

這種可調(diào)性可能導(dǎo)致量子非線性光學(xué)、量子態(tài)合成和電子與光子的量子相關(guān)性的基本效應(yīng)。

然而，由于固有光損耗和低Q因子的影響，目前報道的實驗電子-光子相互作用在增強的相互作用強度或持續(xù)時間上都沒有顯示出光子腔的任何影響。本文作者演示了低損耗、介電性光子晶體腔的相互作用，并測量了在光子晶體腔模式下自由電子Rabi振蕩作為位置函數(shù)的空間模擬。Rabi振蕩驗證了該系統(tǒng)中電子的量子性質(zhì)，并證實了純經(jīng)典理論在該實驗中不足以描述光-物質(zhì)的相互作用。

基于此，Ido Kaminer教授團隊提出了一個用于納米級電子-腔-光子相互作用的平臺。在該平臺中，研究人員實驗獲得了迄今為止報道的最強的相干電子-光相互作用。相互作用的強度使我們能夠通過自由電子探針測量腔內(nèi)光子的壽命，并使用低到皮焦耳級別的脈沖能量獲得PINEM相互作用。除了相互作用的時間動力學(xué)外，還能夠?qū)⒐庾訋ЫY(jié)構(gòu)解析為能量、動量和偏振的函數(shù)，同時捕獲深亞波長分辨率下腔模的空間分布。

這些能力為納米結(jié)構(gòu)提供了超越非相干展寬限制的多維表征，并為軟物質(zhì)和其他脆弱樣品的低劑量激發(fā)和探測提供了一條途徑。該文章結(jié)果為自由電子與空腔光子的強耦合以及先前未知的電子-光子和電子-電子糾纏鋪平了道路。

創(chuàng)新研究

超快電子透射顯微鏡是一個飛秒泵浦探針裝置，使用光脈沖激發(fā)樣品和電子脈沖探測樣品的瞬態(tài)狀態(tài)。這些電子脈沖穿透樣品并對其成像。在一個設(shè)置中包含多維能力是非常有用的，以充分表征納米尺度的對象。這項突破的核心在于，超快自由電子-光相互作用研究的進展已經(jīng)引入了一種新的量子物質(zhì)——量子自由電子波包。

作者利用量子自由電子波包探測安裝在超快投射電子顯微鏡上的具有多維度的光腔（特別是光子晶體膜），如圖1所示。和其他顯微鏡一樣，飛秒激光脈沖被分成兩部分:一部分用來激發(fā)樣品(泵)，另一部分產(chǎn)生電子脈沖(探針)與樣品相互作用。通過電子能量濾波（圖1a），利用探針電子成像真實空間中的光場分布，以深亞波長分辨率分辨納米結(jié)構(gòu)的近場。改變了樣品傾斜相對于激光泵浦(圖1b)，以實現(xiàn)與光子腔諧振的耦合。通過改變泵浦激光波長(圖1c)和偏振(圖1d)，可以充分表征諧振。利用泵浦激光脈沖和探針電子脈沖之間的可控延遲時間(圖1e)，可以在超快的時間尺度上成像光子腔內(nèi)的光動力學(xué)。

通過相干自由電子探針直接測量空腔-光子的壽命，并觀察到相對于以前的電子-光子相互作用的實驗，在相互作用強度上增加了一個數(shù)量級。自由電子探針解決了相互作用的時空和能量-動量信息。電子光譜的空間映射證明了電子的量子性質(zhì)。自由電子和空腔光子之間的相互作用可以實現(xiàn)對軟物質(zhì)或其他對光束敏感的材料進行低劑量、超快的電子顯微鏡觀察。

圖1. 多維光譜的超快電子透射顯微鏡（空間，動量，能量，極化和時間）

圖片來源：Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M. et al. Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature 582, 50–54 (2020). Extended Data Fig. 1

在研究電子-空腔-光子相互作用的強度之前，作者用電子探針表征了一個三角形光子晶體腔。首先，作者測量了在波長為525-950 nm，入射角度為0°-24.4°時，橫向TM極化和橫向TE極化的光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)(圖2a)。電子與平行于電子速度的電場分量相互作用直接測量了光子晶體的Bloch模，其深亞波長分辨率為~ 30nm（圖2b）。（Nature 462,902–906 (2009)；Nano Lett. 10, 1859–1863(2010)；ew J. Phys. 12,123028 (2010).）

圖2. 光子晶體的帶結(jié)構(gòu)重建和Bloch模式的直接成像。

圖片來源：Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M. et al. Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature 582, 50–54 (2020). Fig. 2

根據(jù)光子在腔中的壽命，在零延遲時間附近，譜表現(xiàn)出典型的時間對稱行為(低Q)或時間不對稱行為(高Q)。這個高Q值導(dǎo)致相互作用強度相對于目前報道的最高PINEM相關(guān)值增加了一個數(shù)量級以上。（圖3a）圖3b顯示了相互作用概率與入射激光脈沖能量的關(guān)系，當(dāng)脈沖能量低至100 pJ時，這種關(guān)系仍然可見。圖3a的插圖也顯示了作為脈沖能量的函數(shù)的總相互作用概率，顯示腔比測量的鋁膜提升了10，比文獻中報道的金膜提升了30。（Proc. Natl Acad.Sci. USA 113, 2041–2046 (2016).）大q腔模對電子-光子相互作用的顯著增強也為軟物質(zhì)和其他光束敏感樣品的低劑量激發(fā)提供了途徑。在超快電子顯微鏡實驗中，低激發(fā)劑量是通過空腔共振和少量電子引起的場增強來實現(xiàn)的。

圖3. 光子晶體腔中電子與皮焦耳激光脈沖的增強相互作用，及其在敏感材料的量子態(tài)合成和超快電子顯微鏡研究中的可能應(yīng)用。

圖片來源：Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M. et al. Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature 582, 50–54 (2020). Fig. 5

最后，就像被束縛的電子一樣，自由電子的物理性質(zhì)可以通過將其插入空腔來改變?？梢园炎杂呻娮涌醋骺赡艿牧孔游唬脕肀４婊騻鬟f量子信息。腔的態(tài)密度的存在可能極大地改變自由電子自發(fā)發(fā)射的能量和速率，從而形成Compton散射、Cherenkov輻射甚至自由電子激光的新體系。甚至可能對發(fā)射的光子統(tǒng)計進行設(shè)計，從自由電子產(chǎn)生量子光源。

未來展望

電子顯微鏡和自由電子物理的其他領(lǐng)域可以從與光子腔的融合中獲益，使軟物質(zhì)或其他對光束敏感的材料的低劑量、超快電子顯微鏡成為可能。

而這種電子顯微鏡可以進一步發(fā)展為量子傳感，電子-光子相互作用為電子顯微鏡內(nèi)的光學(xué)腔上的微小物體(如分子和蛋白質(zhì))提供間接的、非破壞性的傳感方案。

同時，這種相互作用也可能為利用自由電子進行量子信息處理和量子傳感開辟道路。未來的研究可以實現(xiàn)自由電子強耦合，光子量子態(tài)合成和量子非線性現(xiàn)象，如腔光力學(xué)。

同樣，它可以幫助提高手機和其他屏幕的色彩清晰度。比如，當(dāng)今世界上最先進的屏幕使用基于量子點的QLED技術(shù)，使控制色彩對比度的清晰度高得多。目前面臨的挑戰(zhàn)是如何提高大表面上這些微小量子點的質(zhì)量，并使它們更加均勻，提高屏幕分辨率和顏色對比度。

文章信息：

相關(guān)成果以“ Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity ”為題發(fā)表在 Nature 。

論文地址：

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2321-x

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