Электроны и фотоны соединили в электронном микроскопе: это изменит квантовый мир

Соединение свободных электронов и света с помощью интегрированной фотоники откроет путь к новому классу гибридных квантовых технологий. Результаты исследования публикует Science.

Чтобы улучшить квантовые технологии, ученым часто требуются отдельные частицы, такие как фотоны (элементарные частицы света) с особыми свойствами. Но это не так просто, поэтому физики разработали новый метод, который одновременно генерирует две отдельные частицы в виде пары.

Они успешно соединили отдельные свободные электроны и фотоны в электронном микроскопе. В эксперименте Геттингенского университета луч электронного микроскопа проходит через встроенный оптический чип, изготовленный в Швейцарском федеральном технологическом институте в Лозанне. Чип состоит из оптоволоконной связи и кольцеобразного резонатора, который накапливает свет, удерживая движущиеся по кругу фотоны.

Когда электрон рассеивается в изначально пустом резонаторе, генерируется фотон. В процессе электрон теряет ровно столько энергии сколько требуется фотону для создания практически из ничего в резонаторе. В результате две частицы взаимодействуют и соединяются, образуя пару. Усовершенствованный метод измерения позволил физикам точно определить вовлеченные отдельные частицы и их одновременное проявление.

С парой электрон-фотон физикам нужно измерить только одну частицу, чтобы получить информацию об энергетическом содержании и временном появлении второй. Так исследователи могут использовать одну квантовую частицу в эксперименте и в то же время подтверждать ее присутствие, обнаруживая другую частицу в схеме предвестников. Такая функция изменит квантовые технологии, усовершенствовав их.

Метод изменит электронную микроскопию. В области квантовой оптики запутанные пары фотонов уже улучшают изображения. Теперь такие концепции можно исследовать с помощью электронов.