Lo studio svela la natura quantistica dell'interazione tra fotoni ed elettroni liberi / Study unveils the quantum nature of the interaction between photons and free electrons

Lo studio svela la natura quantistica dell'interazione tra fotoni ed elettroni liberi.  / Study unveils the quantum nature of the interaction between photons and free electrons. The process of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this application.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Rappresentazione artistica della struttura ACHIP e dell'interazione in essa. Un dispositivo fotonico al silicio integrato in un microscopio elettronico fornisce interazioni di elettroni efficienti con la luce CW, consentendo il rilevamento delle statistiche dei fotoni quantistici. A seconda delle statistiche dei fotoni della luce, l'elettrone rimane impigliato con la luce quando passa attraverso un canale fotonico di silicio. L'immagine utilizza l'esatto design dell'acceleratore fotonico al silicio e utilizza anche l'esatta distribuzione del campo al suo interno per rappresentare la distribuzione del campo fotonico. /  An artist’s depiction of the ACHIP structure and the interaction in it. A silicon-photonics device integrated in an electron microscope provides efficient electron interactions with CW light, enabling the detection of the quantum photon statistics. Depending on the photon statistics of light, the electron becomes entangled with the light when passing through a silicon-photonic channel. The image uses the exact design of the silicon-photonic accelerator, and also uses the exact field distribution inside it to depict the photonic field distribution. Credito: SimplySci Animations, Urs Haeusler e il gruppo AdQuanta al Technion.

Da diversi decenni i fisici sanno che la luce può essere descritta contemporaneamente come un'onda ed una particella. Questa affascinante 'dualità' della luce è dovuta alla natura classica e quantistica delle eccitazioni elettromagnetiche, i processi attraverso i quali vengono prodotti i campi elettromagnetici.

Finora, in tutti gli esperimenti in cui la luce interagisce con gli elettroni liberi, è stata descritta come un'onda. I ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology, tuttavia, hanno recentemente raccolto le prime prove sperimentali che rivelano la natura quantistica dell'interazione tra fotoni ed elettroni liberi. Le loro scoperte, pubblicate su Science , potrebbero avere importanti implicazioni per la ricerca futura che studi i fotoni e la loro interazione con gli elettroni liberi.

"L'idea per il nostro studio ci è venuta per la prima volta circa due anni fa, dopo la nostra scoperta sperimentale che l'interazione tra un elettrone libero e la luce può mantenere la sua coerenza su distanze cento volte superiori al periodo ottico", Raphael Dahan, Alexey Gorlach e Ido Kaminer, tre dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org via e-mail. "Intorno a questo periodo, sono usciti anche due importanti lavori teorici, entrambi i quali hanno esplorato come le proprietà quantistiche della luce dovrebbero cambiare l'interazione con gli elettroni".

Questi due precedenti studi teorici, uno di Ofer Kfir dell'Università di Göttingen e l'altro di Javier García de Abajo e dei suoi colleghi dell'Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), hanno previsto un nuovo tipo di interazione fondamentale che si verifica tra la luce e gli elettroni liberi, rivelando le proprietà quantistiche della luce. Traendo ispirazione da queste importanti previsioni, Kaminer, Dahan, Gorlach ed i loro colleghi hanno iniziato a cercare un sistema in cui sarebbero stati in grado di indagare sperimentalmente questa interazione. Più specificamente, i ricercatori hanno voluto dimostrare che le statistiche quantistiche della luce possono alterare l'interazione elettrone-luce.

"Questo ci ha portato a cercare due componenti importanti", hanno spiegato Kaminer, Dahan e Gorlach. "Il primo è un dispositivo che avrà un migliore accoppiamento tra l'elettrone e la luce, e il secondo è una sorgente fotonica che genererà luce quantistica con la massima intensità possibile".

Per ottenere una maggiore efficienza di accoppiamento, i ricercatori si sono consultati con i membri della comunità di ricerca dell'acceleratore su chip (ACHIP), che mira a ottenere un'accelerazione di elettroni compatta utilizzando i laser e integrarla su chip. Dopo una serie di calcoli, il gruppo ha scoperto che l'efficienza dell'accoppiamento può essere migliorata centinaia di volte rispetto a quanto suggerito da tutti gli esperimenti precedenti.

"Abbiamo inizialmente collaborato con un gruppo di Stanford (Solgaard, Inghilterra, Leedle, Byer e i loro studenti) - hanno progettato e fornito una struttura ACHIP per il primo test", hanno affermato Kaminer, Dahan e Gorlach. "Questo è diventato il primo esperimento che utilizza un chip fotonico di silicio all'interno di un microscopio elettronico a trasmissione e ha già avuto implicazioni affascinanti, risultando in un altro documento che apparirà presto su PRX, di Yuval Adiv et al."

Successivamente, Kaminer ed i suoi colleghi hanno avviato una collaborazione con un'altra parte della comunità ACHIP, un gruppo guidato da Peter Hommelhoff a Erlangen in Germania. Questo gruppo di ricerca ha fornito le migliori strutture ACHIP al mondo necessarie a Kaminer per condurre questo complicato esperimento.

Per generare un'intensa luce quantistica, i ricercatori hanno lavorato a stretto contatto con il gruppo Eisenstein del Technion. Questo gruppo ha permesso loro di utilizzare un tipo speciale di amplificatore ottico: uno strumento in grado di modificare le statistiche dei fotoni quantistici della luce da una distribuzione Poissoniana (come nella classica luce coerente) a una distribuzione super-Poissoniana.

"Il nostro studio è stato un bel viaggio", ha detto Dahan. "Combinando tutti questi diversi elementi e attraverso un esperimento molto impegnativo utilizzando il nostro microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce, abbiamo raggiunto il nostro obiettivo primario: dimostrare la prima interazione tra un elettrone libero e una luce con diverse proprietà quantistiche".

Kaminer ed i suoi colleghi sono stati infine in grado di svelare la natura quantistica dell'interazione tra fotoni ed elettroni liberi modificando continuamente le statistiche dei fotoni durante il loro esperimento e mostrando come cambia lo spettro di energia degli elettroni in risposta. Il cambiamento nelle statistiche dei fotoni che hanno osservato variava a seconda dell'intensità della pompa e del seme laser nell'amplificatore ottico.

L'interazione principale che i ricercatori hanno esplorato è quella che coinvolge la luce in ingresso e gli elettroni liberi. Nei loro esperimenti, gli elettroni agiscono come rivelatori dello stato della luce. Pertanto, misurando la loro energia, i ricercatori sono stati in grado di estrarre informazioni quantistiche sulla luce.

Le misurazioni degli elettroni possono essere spiegate solo quantizzando sia l'elettrone che la luce, come previsto dai documenti teorici da cui hanno tratto ispirazione. "Solo una volta che abbiamo usato questa nuova teoria, l'accordo con le nostre misurazioni è diventato molto buono", ha detto Kaminer. "Da una prospettiva fondamentale, i principali risultati del nostro studio sono: l'interazione tra la luce quantistica e un elettrone libero, l'emergere dell'entanglement nell'interazione e il principio di corrispondenza quanto-classico. Questo principio mostra l'effetto di una passeggiata quantistica da parte dell'elettrone e la sua transizione in un cammino casuale."

Oltre a spianare potenzialmente la strada a nuove ricerche sulla fisica correlata alla luce, le prove sperimentali potrebbero favorire lo sviluppo di diverse nuove tecnologie. Ciò include strumenti di imaging non distruttivi e non invasivi in ​​grado di raccogliere immagini ad alta risoluzione.

"In primo luogo, abbiamo dimostrato che si possono usare gli elettroni liberi per misurare le statistiche dei fotoni quantistici della luce", hanno detto Kaminer, Dahan e Gorlach. "Ci sono diversi vantaggi di tali misurazioni che potrebbero essere dimostrate in futuro, ad esempio, essendo non distruttive, avendo un'elevata risoluzione temporale e accadendo nel campo vicino con un'elevata risoluzione spaziale".

Il recente lavoro di Kaminer e del suo gruppo dimostra che è possibile modellare temporaneamente gli elettroni usando la luce a onda continua (CW). Questo risultato potrebbe consentire l'integrazione di chip fotonici di silicio nei microscopi elettronici per migliorare le capacità della microscopia elettronica, ad esempio, di introdurre la risoluzione temporale ad attosecondi nei microscopi all'avanguardia senza danneggiarne la risoluzione spaziale.

"Ora abbiamo in programma di continuare il nostro lavoro in due principali direzioni di ricerca", hanno detto Kaminer, Dahan e Gorlach. "Il primo è lavorare verso la tomografia a stato quantico completo dei campi vicini fotonici, come misurare la compressione della luce sul chip senza la necessità di accoppiare la luce. Un'altra direzione che stiamo esaminando è la creazione di luce quantistica utilizzando elettroni di forma coerente, seguendo la visione che abbiamo esposto nel nostro recente documento teorico che ha suggerito questa direzione".

ENGLISH

For several decades, physicists have known that light can be described simultaneously as a wave and a particle. This fascinating 'duality' of light is due to the classical and quantum nature of electromagnetic excitations, the processes through which electromagnetic fields are produced.

So far, in all experiments in which light interacts with free electrons, it has been described as a wave. Researchers at Technion—Israel Institute of Technology, however, have recently gathered the first experimental evidence revealing the quantum nature of the interaction between photons and free electrons. Their findings, published in Science, could have important implications for future research investigating photons and their interaction with free electrons.

"The idea for our study first came to us around two years ago, after our experimental discovery that the interaction between a free electron and light can maintain its coherence over distances of a hundred times the optical period," Raphael Dahan, Alexey Gorlach and Ido Kaminer, three of the researchers who conducted the study, told Phys.org via email. "Around this time, two important theoretical works also came out, both of which explored how the quantum properties of light should change the interaction with electrons."

These two previous theoretical studies, one by Ofer Kfir at University of Göttingen and the other by Javier García de Abajo and his colleagues at Institut de Ciències Fotòniques (ICFO), predicted a new type of fundamental interaction that occurs between light and free electrons, revealing the quantum properties of light. Drawing inspiration from these important predictions, Kaminer, Dahan, Gorlach and their colleagues started searching for a system in which they would be able to investigate this interaction experimentally. More specifically, the researchers wanted to demonstrate that the quantum statistics of light can alter the electron–light interaction.

"This led us to look for two important components," Kaminer, Dahan and Gorlach explained. "The first is a device that will have better coupling between the electron and the light, and the second is a photonic source that will generate quantum light with the highest possible intensity."

To achieve a greater coupling efficiency, the researchers consulted with members of the accelerator on-chip (ACHIP) research community, which aims to achieve compact electron acceleration using lasers and integrate it on-chip. After a series of calculations, the team found that the coupling efficiency can be enhanced in hundred times compared to what was suggested by all previous experiments.

"We first collaborated with a group from Stanford (Solgaard, England, Leedle, Byer, and their students) – they designed and provided us with an ACHIP structure for the first test," Kaminer, Dahan and Gorlach said. "This became the first experiment using a silicon-photonic chip inside a transmission electron microscope, and already had fascinating implications, resulting in another paper which will soon appear in PRX, by Yuval Adiv et al."

Subsequently, Kaminer and his colleagues initiated a collaboration with another part of the ACHIP community, a team led by Peter Hommelhoff at Erlangen Germany. This research group provided the best-In-the-world ACHIP structures necessary for Kaminer to conduct this complicated experiment.

To generate intense quantum light, the researchers worked closely with the Eisenstein group at Technion. This group allowed them to use a special kind of optical amplifier: an instrument that can change the quantum photon statistics of light from a Poissonian distribution (as in classical coherent light) to a super-Poissonian distribution.

"Our study was quite a journey," Dahan said. "Combining all these different elements and through a very challenging experiment using our ultrafast transmission electron microscope, we achieved our primary objective: demonstrating the first interaction between a free electron and light with different quantum properties."

Kaminer and his colleagues were ultimately able to unveil the quantum nature of the interaction between photons and free electrons by continuously changing the photon statistics throughout their experiment and showing how the electron energy spectrum changes in response. The change in the photon statistics they observed varied depending on the intensity of the pump and laser seed in the optical amplifier.

The primary interaction the researchers explored is the one involving the input light and free electrons. In their experiments, electrons act as the detectors of the state of light. Thus, by measuring their energy, the researchers were able to extract quantum information about light.

The electron measurements can only be explained by quantizing both the electron and the light, as predicted by the theoretical papers they drew inspiration from. "Only once using this new theory, the agreement with our measurements became very good," Kaminer said. "From a fundamental perspective, the main findings of our study are: the interaction between quantum light and a free electron, the emergence of entanglement in the interaction and the quantum-classical correspondence principle. This principle shows the effect of a quantum walk by the electron and its transition into a random walk."

In addition to potentially paving the way for new light-related physics research, the experimental evidence could inform the development of several new technologies. This includes non-destructive and non-invasive imaging tools that can collect high-resolution images.

"Firstly, we showed that one can use free electrons to measure the quantum photon statistics of light," Kaminer, Dahan and Gorlach said. "There are several advantages of such measurements that could be demonstrated in the future, for example, being non-destructive, having high temporal resolution, and happening in the nearfield with high spatial resolution."

The recent work by Kaminer and his team proves that it is possible to temporarily shape electrons using continuous wave (CW) light. This result could enable the integration of silicon-photonic chips into electron microscopes to enhance the capabilities of electron microscopy, for instance, to introduce attosecond time resolution into state-of-the-art microscopes without harming their spatial resolution.

"We now plan to continue our work in two main research directions," Kaminer, Dahan and Gorlach said. "The first is working toward full quantum state tomography of photonic nearfields, like measuring squeezing of light on-chip with no need to out-couple the light. Another direction that we are looking into is creating quantum light using coherently-shaped electrons, following the vision we laid out in our recent theory paper that suggested this direction."

Da:

https://phys.org/news/2021-09-unveils-quantum-nature-interaction-photons.html?utm_source=nwletter&utm_medium=email&utm_campaign=daily-nwletter