量子全息要来了?已实现电子光量子干涉对电磁场进行全息成像

量子全息要来了?已实现电子光量子干涉对电磁场进行全息成像
2019年08月25日 08:28 新浪网 作者 雷之体育

在传统全息照相术中,胶片可以用非散射光的参考光束记录从被成像物体散射出单色光的干涉图样。然后,科学家可以用参考光束复制品来照亮所生成的图像,从而创建出原始物体的虚拟图像。全息术最初是由物理学家丹尼斯·加伯于1948年提出,目的是提高电子显微镜的分辨率,并通过光学演示。全息图可以通过将信号的相位和振幅分布与已知的基准叠加而形成。最初的概念是电子全息术,激光光学全息术发明后成为一种流行的三维成像宏观物体、信息加密和显微成像技术。

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然而,将全息图扩展到超快领域目前仍然是电子领域的一个挑战,尽管发展这项技术将为凝聚态物理的高级成像应用提供尽可能高的时空分辨率。在表在《科学进展》上研究中,伊万·马丹(Ivan Madan)和一个跨学科研究团队,在瑞士、英国和西班牙的超快显微镜和电子散射、物理、科学和技术部门,详细描述了利用局部电磁场制作全息图的过程。

科学家们用超快透射电子显微镜(UEM)获得了阿秒/纳米分辨率的电磁全息图。在新方法中,科学家们依靠电磁场在不同能量状态的量子相干叠加中分裂电子波函数。

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传统与全息PINEM成像,图片:Science Advances

该技术与传统方法不同,将感兴趣的信号和参考信号在空间上分离并重新组合,重建感兴趣信号的振幅和相位,从而形成全息图。该原理可以扩展到任何类型的探测结构,包括声波、x射线或飞秒脉冲波形等周期信号能够受到干扰。随着全息技术研究的进一步发展,时间分辨光学全息技术得到了进一步的发展。由于利用飞秒激光产生超快电子脉冲的超快透射电子显微镜的最新发展,达到超快领域也可以成为现实。这些发展使得实时拍摄集体电子模式、应变场和磁性纹理的分辨率达到几百飞秒。

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在这项新研究中,Madan等人在超快透射电子显微镜(UEM)中演示了时域全息成像技术。他们基于电子波包与多个光场的量子相干相互作用技术。为了说明这种方法,Madan等人捕获了等离子体结构中快速演化的电磁场的阿秒/纳米分辨率相敏薄膜。科学家们在研究中采用了两种关键的实验方法,以并行地获得一般电子态的量子相干性。这项研究将与电子量子光学的进一步应用有关。作为全息UEM的一个简单实现,科学家们基于两个场对两个传播表面等离子体极化子(SPPs)的局部干涉(即自由电子沿金属的集体振荡波)。

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等离子体全息图的时间步长为0.33-fs。图片:Science Advances

用传统光子诱导近场电子显微镜(PINEM)描述了电子脉冲与单个SPP的相互作用机理,然后比较了在局部全息PINEM中通过两个SPP之间的干涉产生的全息图。在传统的松果体模型中,电子可以无弹性地吸收或发射光子能量量子,并过滤无弹性散射电子,从而形成等离子体场的真实空间图像。

为了实现全息PINEM的概念,Madan等人使用了一个由两个垂直狭缝组成的实验纳米结构,该狭缝由镓(Ga)离子铣削制备的银(Ag)薄膜组成,沉积在氮化硅薄膜(Si3N4)上。在改良的透射电镜下进行了实验,科学家们使用了第二个SPP波作为参考,并创建了一个与感兴趣的SPP干涉模式。

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当两个波在空间和时间上重叠时,就形成了全息图。科学家们通过对非弹性散射电子进行能量滤波,观察到两个相对脉冲延迟分别为-77、-20、0和22飞秒的spp所形成全息图。Madan等人利用量子阶梯不同能量状态之间的相干性推广了全息方法,其中电子波函数在与光相互作用时分裂。

由于电子携带着关于光场振幅和相位的信息,甚至在相互作用完成之后,科学家们利用这一事实来实现量子全息。在实验中,利用电子透明光学镜反射光束产生的半无限光场,创建了一个与材料无关的参考场。该装置允许几乎恒定的空间振幅和相位,为全息术的研究提供了最佳参考场。

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在本研究背景下,电子状态的量子相干性不是指电子之间的相干性,而是指电子平面波的单色性(奇异性)和相位稳定性。Madan等人使用这个术语来确定电子在环境中是处于纯态还是纠缠态。因此,在量子意义上,不同能级之间的相位是由时间演化算子决定,而不是随机的。

然后,科学家们重建了三维粒子或纳米结构周围复杂的电场分布。结果表明,局域等离子体全息和空间分离量子全息数学等价性使得记录的全息图可以用传播驻波的同样形式来处理。通过记录从银镜反射的倾斜波前和从银层上雕刻的孔中发射的等离子体波形成全息图,观察了这种效应。

由此产生的图案显示出一种周期性,这种周期性在未绘制的全息图中是自然不存在的。通过模型计算,区分了高相干(纯)和完全非相干(完全混合)电子分布。为此建立了光电子密度矩阵的模型,例如,利用固体目标的紫外线照射。然后在实验装置中协调电子态,使之与移动的等离子体极化子相互作用。

通过观察电子能量分布,科学家们能够确定光发射电子中是否存在部分相干。在此基础上,提出了将UEM全息成像进一步扩展到实际实现量子全息UEM。科学家们设想,在未来利用这项技术来研究凝聚态系统中原子极化率、激子、声子、希格斯粒子以及其他集体和准粒子激发等潜在的有趣对象。

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目前的研究提供了足够信息来重建未知电子态的完整密度矩阵,类似于以前用阿秒脉冲序列重建量子态的方法。但与以往的工作不同,该方法还可以利用控制良好的SPP场并行实现多个投影测量。用这种方法演示了基于超快透射电子显微镜(UEM)的局部和空间分离全息方法。科学家们表示,该技术的非局域特性允许完全解耦参考场和探针场,这在以前的近场光学或光电发射显微技术中是不可能的。该工作提供了一个独特视角,以实现原子和亚飞秒的联合决议在透射显微镜。该方法将使电子量子态相干的空间分辨检测方法成为可能,在电子量子全息和其他应用领域具有巨大潜力。

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