La fotografia misura quanta luce di colore diverso colpisce la pellicola fotografica. Però, la luce è anche un'onda, ed è quindi caratterizzato dalla fase. La fase specifica la posizione di un punto all'interno del ciclo d'onda e si correla alla profondità dell'informazione, il che significa che la registrazione della fase di luce diffusa da un oggetto può recuperare la sua forma tridimensionale completa, che non si può ottenere con una semplice fotografia. Questa è la base dell'olografia ottica, reso popolare da ologrammi fantasiosi in film di fantascienza come Star Wars.

Ma il problema è che la risoluzione spaziale della foto/ologramma è limitata dalla lunghezza d'onda della luce, intorno o appena al di sotto di 1 μm (0,001 mm). Va bene per oggetti macroscopici, ma inizia a fallire quando si entra nel regno della nanotecnologia.

Ora i ricercatori del laboratorio di Fabrizio Carbone all'EPFL hanno sviluppato un metodo per vedere come si comporta la luce su scala più piccola, ben oltre i limiti di lunghezza d'onda. I ricercatori hanno utilizzato i mezzi fotografici più insoliti:elettroni a propagazione libera. Utilizzato nel loro microscopio elettronico ultraveloce, il metodo può codificare le informazioni quantistiche in uno schema di luce olografico intrappolato in una nanostruttura, e si basa su un aspetto esotico dell'interazione tra elettroni e luce.

Gli scienziati hanno usato la natura quantistica dell'interazione elettrone-luce per separare i fasci di riferimento elettronico e di imaging elettronico nell'energia invece che nello spazio. Ciò rende ora possibile utilizzare gli impulsi luminosi per crittografare le informazioni sulla funzione d'onda degli elettroni, che può essere mappato con microscopia elettronica a trasmissione ultraveloce.

Il nuovo metodo può fornirci due importanti vantaggi:primo, informazioni sulla luce stessa, rendendolo un potente strumento per l'imaging di campi elettromagnetici con precisione ad attosecondi e nanometri nel tempo e nello spazio. Secondo, il metodo può essere utilizzato nelle applicazioni di calcolo quantistico per manipolare le proprietà quantistiche degli elettroni liberi.

"L'olografia convenzionale può estrarre informazioni 3D misurando la differenza di distanza percorsa dalla luce da diverse parti dell'oggetto, " dice Carbone. "Ma questo ha bisogno di un raggio di riferimento aggiuntivo da una direzione diversa per misurare l'interferenza tra i due. Il concetto è lo stesso con gli elettroni, ma ora possiamo ottenere una maggiore risoluzione spaziale a causa della loro lunghezza d'onda molto più corta. Per esempio, siamo stati in grado di registrare filmati olografici di oggetti in rapido movimento utilizzando impulsi di elettroni ultracorti per formare gli ologrammi".

Oltre i calcoli quantistici, la tecnica ha la più alta risoluzione spaziale rispetto alle alternative, e potrebbe cambiare il modo in cui pensiamo alla luce nella vita di tutti i giorni. "Finora, la scienza e la tecnologia si sono limitate a fotoni che si propagano liberamente, utilizzato in dispositivi ottici macroscopici, " dice Carbone. "La nostra nuova tecnica ci permette di vedere cosa succede con la luce su scala nanometrica, il primo passo per la miniaturizzazione e l'integrazione di dispositivi luminosi su circuiti integrati."