(圖:Songdi Technology (Beijing) Co. Ltd.)

以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)的一組研究團隊日前開發出了,能夠觀測到困在光子晶體中光子動態的超高速透射電子顯微鏡(ultrafast transmission electron microscope)。其研究已發表於《自然》(Nature)上。

超高速透射電子顯微鏡

此研究由 Kaminer AdQuanta 教授所領導,而其所開發的超高速透射電子顯微鏡系統載有功率 40 瓦特,脈衝時間在 100 飛秒(femtosecond)內的雷射裝置,能夠激發觀測材料的原子態。接著使用 40 – 200 kV 的加速電壓(acceration voltage)來使電子達約 30 – 70 % 的光速打向激發後的原子,藉此記錄下相當細微的奈米等級材料特徵。

Kaminer 教授對此表示:「我們所開發的電子顯微鏡從任何觀點來看,可說是當今最先進的近場掃描光學顯微鏡(near-field optical microscopy)。藉由此顯微鏡,我們可以改變雷射光的顏色、角度來激發任何奈米材料,並記錄下它們與電子的交互作用,如同我們在光子晶體的實驗中所呈現的」。共同參與研究的 Kangpeng Wang 博士也補充:「這是科學界首次不依靠電腦模擬來觀測困在奈米材料中的光子動態」。

量子自由電子波包

團隊之所以能夠開發出如此先進的電子顯微鏡,主要是因科學界近年來在高速自由電子與光子交互作用的研究上,發現了一種稱之為量子自由電子波包(quantum free electron wavepackets)的量子物質。過去的量子電動力學(quantum electrodynamics)在量子物質與光子腔(photonic cavities)的交互作用上僅聚焦於電子束縛的系統上——如原子、量子點或量子電路,此種系統中的電子所能處在的能態、光譜範圍、自旋都有其限制。然而,量子自由電子封包則沒有這些限制。

研究成果與發展

Kaminer 教授的團隊在此研究中首此提出了量子自由電子封包與光子腔的交互作用,並利用此交互作用開發出超高速透射電子顯微鏡來研究光子晶體。該技術有許多相當重要的應用價值,包括協助開發新的量子物質來更穩定地儲存量子位元(quantum bits)。

除此之外,進一步優化自由電子與光子腔的交互作用,也有望能在未來做到自由電子的強耦合(strong coupling)、光子量子態合成或其他從未見過的非線性量子現象,無疑對於量子力學的領域有相當大的影響。

參考資料:

  1. staff, S. X. (2020, June 4). One-of-a-kind microscope enables breakthrough in quantum science. Phys
  2. Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M., Kauffmann, Y., Hayun, A. B., Reinhardt, O., … Kaminer, I. (2020). Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature582(7810), 50–54. doi: 10.1038/s41586-020-2321-x
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