Uma representação artística da estrutura ACHIP e da interação nela. Um dispositivo fotônico de silício integrado em um microscópio eletrônico fornece interações eletrônicas eficientes com a luz CW, permitindo a detecção das estatísticas de fótons quânticos. Dependendo das estatísticas de fóton da luz, o elétron fica emaranhado com a luz ao passar por um canal fotônico de silício. A imagem usa o design exato do acelerador fotônico de silício, e também usa a distribuição exata do campo dentro dele para representar a distribuição do campo fotônico. Crédito:Animações SimplySci, Urs Haeusler, e o grupo AdQuanta do Technion.
Por várias décadas, os físicos sabem que a luz pode ser descrita simultaneamente como uma onda e uma partícula. Esta fascinante 'dualidade' de luz é devido à natureza clássica e quântica das excitações eletromagnéticas, os processos pelos quais os campos eletromagnéticos são produzidos.
Até aqui, em todos os experimentos em que a luz interage com elétrons livres, foi descrito como uma onda. Pesquisadores do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel, Contudo, recentemente reuniram as primeiras evidências experimentais que revelam a natureza quântica da interação entre fótons e elétrons livres. Suas descobertas, publicado em Ciência , pode ter implicações importantes para pesquisas futuras que investiguem fótons e sua interação com elétrons livres.
"A ideia do nosso estudo surgiu há cerca de dois anos, após nossa descoberta experimental de que a interação entre um elétron livre e a luz pode manter sua coerência em distâncias cem vezes maiores do que o período óptico, "Raphael Dahan, Alexey Gorlach e Ido Kaminer, três dos pesquisadores que conduziram o estudo, disse ao Phys.org por e-mail. "Por volta desse horário, dois importantes trabalhos teóricos também surgiram, ambos exploraram como as propriedades quânticas da luz devem mudar a interação com os elétrons. "
Esses dois estudos teóricos anteriores, um por Ofer Kfir na Universidade de Göttingen e o outro por Javier García de Abajo e seus colegas no Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), previu um novo tipo de interação fundamental que ocorre entre a luz e os elétrons livres, revelando as propriedades quânticas da luz. Inspirando-se nessas importantes previsões, Kaminer, Dahan, Gorlach e seus colegas começaram a procurar um sistema em que pudessem investigar essa interação experimentalmente. Mais especificamente, os pesquisadores queriam demonstrar que as estatísticas quânticas da luz podem alterar a interação elétron-luz.
"Isso nos levou a procurar dois componentes importantes, "Kaminer, Dahan e Gorlach explicaram. “O primeiro é um dispositivo que terá melhor acoplamento entre o elétron e a luz, e a segunda é uma fonte fotônica que irá gerar luz quântica com a maior intensidade possível. "
Para alcançar uma maior eficiência de acoplamento, os pesquisadores consultaram membros da comunidade de pesquisa do acelerador no chip (ACHIP), que visa alcançar aceleração de elétrons compacta usando lasers e integrá-la no chip. Depois de uma série de cálculos, a equipe descobriu que a eficiência do acoplamento pode ser aumentada cem vezes em comparação com o que foi sugerido por todos os experimentos anteriores.
"Primeiro colaboramos com um grupo de Stanford (Solgaard, Inglaterra, Leedle, Byer, e seus alunos) - eles projetaram e nos forneceram uma estrutura ACHIP para o primeiro teste, "Kaminer, Dahan e Gorlach disseram. "Este se tornou o primeiro experimento usando um chip fotônico de silício dentro de um microscópio eletrônico de transmissão, e já tinha implicações fascinantes, resultando em outro artigo que em breve aparecerá na PRX, por Yuval Adiv et al. "
Subseqüentemente, Kaminer e seus colegas iniciaram uma colaboração com outra parte da comunidade ACHIP, uma equipe liderada por Peter Hommelhoff em Erlangen Alemanha. Este grupo de pesquisa forneceu as melhores estruturas do ACHIP do mundo, necessárias para Kaminer conduzir esse experimento complicado.
Para gerar luz quântica intensa, os pesquisadores trabalharam em estreita colaboração com o grupo Eisenstein em Technion. Este grupo permitiu-lhes usar um tipo especial de amplificador óptico:um instrumento que pode mudar as estatísticas quânticas de fótons de luz de uma distribuição Poissoniana (como na luz coerente clássica) para uma distribuição super-Poissoniana.
"Nosso estudo foi uma jornada e tanto, "Dahan disse." Combinando todos esses elementos diferentes e por meio de um experimento muito desafiador usando nosso microscópio eletrônico de transmissão ultrarrápido, alcançamos nosso objetivo principal:demonstrar a primeira interação entre um elétron livre e luz com diferentes propriedades quânticas. "
Kaminer e seus colegas conseguiram desvendar a natureza quântica da interação entre fótons e elétrons livres, alterando continuamente as estatísticas de fótons ao longo de seu experimento e mostrando como o espectro de energia do elétron muda em resposta. A mudança nas estatísticas de fótons que observaram variou dependendo da intensidade da bomba e da semente do laser no amplificador óptico.
A principal interação que os pesquisadores exploraram é a que envolve a luz de entrada e os elétrons livres. Em seus experimentos, os elétrons atuam como detectores do estado da luz. Assim, medindo sua energia, os pesquisadores foram capazes de extrair informações quânticas sobre a luz.
As medições de elétrons só podem ser explicadas pela quantização do elétron e da luz, conforme previsto pelos artigos teóricos nos quais eles se inspiraram. "Apenas uma vez usando esta nova teoria, a concordância com nossas medições tornou-se muito boa, "Kaminer disse." De uma perspectiva fundamental, as principais conclusões do nosso estudo são:a interação entre a luz quântica e um elétron livre, o surgimento do emaranhamento na interação e o princípio de correspondência quântico-clássico. Este princípio mostra o efeito de um passeio quântico pelo elétron e sua transição para um passeio aleatório. "
Além de potencialmente pavimentar o caminho para novas pesquisas físicas relacionadas à luz, a evidência experimental pode informar o desenvolvimento de várias novas tecnologias. Isso inclui ferramentas de imagem não destrutivas e não invasivas que podem coletar imagens de alta resolução.
"Em primeiro lugar, mostramos que é possível usar elétrons livres para medir as estatísticas quânticas de fótons de luz, "Kaminer, Dahan e Gorlach disseram. "Existem várias vantagens de tais medições que podem ser demonstradas no futuro, por exemplo, sendo não destrutivo, tendo alta resolução temporal, e acontecendo no campo próximo com alta resolução espacial. "
O trabalho recente de Kaminer e sua equipe prova que é possível formar elétrons temporariamente usando luz de onda contínua (CW). Este resultado pode permitir a integração de chips fotônicos de silício em microscópios eletrônicos para aumentar as capacidades da microscopia eletrônica, por exemplo, para introduzir a resolução de attossegundo em microscópios de última geração sem prejudicar sua resolução espacial.
"Agora planejamos continuar nosso trabalho em duas direções principais de pesquisa, "Kaminer, Dahan e Gorlach disseram. "O primeiro é trabalhar em direção à tomografia de estado quântico total de campos próximos fotônicos, como medir a compressão da luz no chip sem a necessidade de acoplar a luz. Outra direção que estamos olhando é a criação de luz quântica usando elétrons de forma coerente, seguindo a visão que apresentamos em nosso recente artigo teórico que sugeriu essa direção. "
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