O professor da Technion Ido Kaminer e sua equipe fizeram uma descoberta dramática no campo da ciência quântica:um microscópio quântico que registra o fluxo de luz, permitindo a observação direta da luz presa dentro de um cristal fotônico.

Sua pesquisa, "Interação coerente entre elétrons livres e uma cavidade fotônica, "foi publicado em Natureza . Todos os experimentos foram realizados usando um microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápido exclusivo do Technion-Israel Institute of Technology. O microscópio é o mais recente e versátil de um punhado que existe no mundo científico.

"Desenvolvemos um microscópio eletrônico que produz, o que é em muitos aspectos, a melhor microscopia óptica de campo próximo do mundo. Usando nosso microscópio, podemos mudar a cor e o ângulo da luz que ilumina qualquer amostra de nanomateriais e mapear suas interações com os elétrons, como demonstramos com cristais fotônicos, "explicou o Prof. Kaminer." Esta é a primeira vez que podemos realmente ver a dinâmica da luz enquanto ela está presa em nanomateriais, em vez de depender de simulações de computador, "acrescentou o Dr. Kangpeng Wang, pós-doutorado no grupo e primeiro autor do artigo.

Todos os experimentos foram realizados no microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida no Laboratório de dinâmica quântica de feixe de elétrons Robert e Ruth Magid chefiado pelo Prof. Kaminer. Ele é membro do corpo docente da Faculdade de Engenharia Elétrica Andrew e Erna Viterbi e do Solid State Institute, e afiliado ao Helen Diller Quantum Center e ao Russell Berrie Nanotechology Institute. A equipe de pesquisa também inclui:Dr. Kangpeng Wang, Raphael Dahan, Michael Shentcis, Dr. Yaron Kauffmann, Adi Ben-Hayun, Ori Reinhardt, e Shai Tsesses.

Aplicativos de longo alcance

Essa descoberta provavelmente terá um impacto em várias aplicações potenciais, incluindo o design de novos materiais quânticos para armazenar bits quânticos com maior estabilidade. De forma similar, pode ajudar a melhorar a nitidez das cores em telefones celulares e outros tipos de tela.

"Terá um impacto ainda maior assim que investigarmos materiais nano / quânticos mais avançados. Temos um microscópio de altíssima resolução e estamos começando a explorar os próximos estágios, "Prof. Kaminer elaborou." Por exemplo, as telas mais avançadas do mundo hoje usam a tecnologia QLED baseada em pontos quânticos, tornando possível controlar o contraste da cor em uma definição muito mais alta. O desafio é como melhorar a qualidade desses minúsculos pontos quânticos em grandes superfícies e torná-los mais uniformes. Isso aumentará a resolução da tela e o contraste de cores ainda mais do que as tecnologias atuais permitem. "

Um novo tipo de questão quântica

O microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápida no laboratório AdQuanta do Prof. Kaminer tem uma tensão de aceleração que varia de 40 kV a 200 kV (acelera os elétrons em 30-70% da velocidade da luz), e um sistema de laser com pulsos de femtossegundos abaixo de 100 a 40 Watts. O microscópio ultrarrápido de transmissão de elétrons é uma configuração de bomba-sonda de femtossegundo que usa pulsos de luz para excitar a amostra e pulsos de elétrons para sondar o estado transiente da amostra. Esses pulsos de elétrons penetram na amostra e a geram. A inclusão de recursos multidimensionais em uma configuração é extremamente útil para a caracterização completa de objetos em nanoescala.

No cerne da descoberta está o fato de que os avanços na pesquisa de interações ultrarrápidas de elétron-luz livre introduziram um novo tipo de matéria quântica - "pacotes de ondas" quânticos de elétrons livres. No passado, A eletrodinâmica quântica (QED) estudou a interação da matéria quântica com os modos de cavidade da luz, o que tem sido crucial no desenvolvimento da física subjacente que constitui a infraestrutura das tecnologias quânticas. Contudo, todos os experimentos até o momento focaram apenas na luz interagindo com sistemas de elétrons ligados - como átomos, pontos quânticos, e circuitos quânticos - que são significativamente limitados em seus estados de energia fixa, faixa espectral, e regras de seleção. Pacotes de ondas quânticos de elétrons livres, Contudo, não têm tais limites. Apesar de várias previsões teóricas de excitantes novos efeitos de cavidade com elétrons livres, nenhum efeito de cavidade fotônica foi observado anteriormente para elétrons livres, devido a limites fundamentais na força e na duração da interação.

O professor Kaminer e sua equipe desenvolveram uma plataforma experimental para o estudo multidimensional das interações de elétrons livres com fótons em nanoescala. Seu microscópio exclusivo alcançou mapas ópticos de campo próximo utilizando a natureza quântica dos elétrons, que foram verificados observando as oscilações de Rabi do espectro de elétrons que não podem ser explicadas pela teoria clássica pura.

Interações mais eficientes de elétron-cavidade-fóton livres podem permitir um forte acoplamento, síntese de estado quântico de fótons, e novos fenômenos não lineares quânticos. O campo da microscopia eletrônica e áreas adicionais da física de elétrons livres podem ganhar com a fusão com cavidades fotônicas, permitindo baixa dose, microscopia eletrônica ultrarrápida de matéria mole ou outros materiais sensíveis ao feixe.

O Prof. Kaminer espera que o microscópio sirva à comunidade Technion mais ampla em outros campos de pesquisa. "Eu gostaria de estimular a colaboração interdisciplinar, " ele notou.