Il professore del Technion Ido Kaminer e il suo team hanno compiuto una svolta epocale nel campo della scienza quantistica:un microscopio quantistico che registra il flusso di luce, consentendo l'osservazione diretta della luce intrappolata all'interno di un cristallo fotonico.

La loro ricerca, "Interazione coerente tra elettroni liberi e una cavità fotonica, " è stato pubblicato in Natura . Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce unico presso il Technion-Israel Institute of Technology. Il microscopio è l'ultimo e più versatile di una manciata che esiste nel mondo scientifico.

"Abbiamo sviluppato un microscopio elettronico che produce, ciò che è sotto molti aspetti, la migliore microscopia ottica in campo vicino al mondo. Usando il nostro microscopio, possiamo cambiare il colore e l'angolo di luce che illumina qualsiasi campione di nanomateriali e mappare le loro interazioni con gli elettroni, come abbiamo dimostrato con i cristalli fotonici, " ha spiegato il prof. Kaminer. "Questa è la prima volta che possiamo effettivamente vedere la dinamica della luce mentre è intrappolata nei nanomateriali, piuttosto che affidarsi a simulazioni al computer, " ha aggiunto il dottor Kangpeng Wang, un postdoc nel gruppo e primo autore sulla carta.

Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti al microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce nel laboratorio di dinamica quantistica del raggio di elettroni di Robert e Ruth Magid diretto dal Prof. Kaminer. È membro di facoltà della Facoltà di Ingegneria Elettrica Andrew ed Erna Viterbi e del Solid State Institute, e affiliato con l'Helen Diller Quantum Center e il Russell Berrie Nanotechology Institute. Il team di ricerca comprende anche:Dr. Kangpeng Wang, Raffaello Dahan, Michael Shentcis, Dott. Yaron Kauffmann, Adi Ben Hayun, Ori Reinhardt, e Shai Tseses.

Applicazioni di vasta portata

È probabile che questa svolta abbia un impatto su numerose potenziali applicazioni, compresa la progettazione di nuovi materiali quantistici per l'archiviazione di bit quantistici con maggiore stabilità. Allo stesso modo, può aiutare a migliorare la nitidezza dei colori su telefoni cellulari e altri tipi di schermi.

"Avrà un impatto ancora più ampio una volta che indagheremo sui materiali nano/quantici più avanzati. Abbiamo un microscopio ad altissima risoluzione e stiamo iniziando a esplorare le fasi successive, " Ha elaborato il prof. Kaminer. "Per esempio, gli schermi più avanzati al mondo oggi utilizzano la tecnologia QLED basata su punti quantici, rendendo possibile controllare il contrasto del colore a una definizione molto più alta. La sfida è come migliorare la qualità di questi minuscoli punti quantici su grandi superfici e renderli più uniformi. Ciò migliorerà la risoluzione dello schermo e il contrasto dei colori anche più di quanto consentano le tecnologie attuali".

Un nuovo tipo di materia quantistica

Il microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce nel laboratorio AdQuanta del Prof. Kaminer ha una tensione di accelerazione che varia da 40 kV a 200 kV (accelera gli elettroni al 30-70% della velocità della luce), e un sistema laser con impulsi inferiori a 100 femtosecondi a 40 Watt. Il microscopio a trasmissione di elettroni ultraveloce è una configurazione pompa-sonda a femtosecondi che utilizza impulsi di luce per eccitare il campione e impulsi di elettroni per sondare lo stato transitorio del campione. Questi impulsi di elettroni penetrano nel campione e lo visualizzano. L'inclusione di capacità multidimensionali in una configurazione è estremamente utile per la caratterizzazione completa di oggetti su nanoscala.

Al centro della scoperta c'è il fatto che i progressi nella ricerca sulle interazioni ultraveloci tra elettroni liberi hanno introdotto un nuovo tipo di materia quantistica:i "pacchetti d'onda" di elettroni liberi quantistici. Nel passato, l'elettrodinamica quantistica (QED) ha studiato l'interazione della materia quantistica con i modi cavi della luce che è stata cruciale nello sviluppo della fisica sottostante che costituisce l'infrastruttura delle tecnologie quantistiche. Però, tutti gli esperimenti fino ad oggi si sono concentrati solo sulla luce che interagisce con i sistemi di elettroni legati, come atomi, punti quantici, e circuiti quantistici, che sono significativamente limitati nei loro stati energetici fissi, gamma spettrale, e regole di selezione. Pacchetti d'onda di elettroni liberi quantistici, però, non hanno tali limiti. Nonostante le molteplici previsioni teoriche di nuovi eccitanti effetti di cavità con elettroni liberi, nessun effetto di cavità fotonica è stato precedentemente osservato per gli elettroni liberi, a causa di limiti fondamentali sulla forza e la durata dell'interazione.

Il prof. Kaminer e il suo team hanno sviluppato una piattaforma sperimentale per lo studio multidimensionale delle interazioni degli elettroni liberi con i fotoni su scala nanometrica. Il loro microscopio unico ha registrato mappe ottiche di campo vicino utilizzando la natura quantistica degli elettroni, che sono stati verificati osservando le oscillazioni di Rabi dello spettro elettronico che non possono essere spiegate dalla pura teoria classica.

Interazioni più efficienti di elettroni liberi-cavità-fotone potrebbero consentire un forte accoppiamento, sintesi dello stato quantistico di fotoni, e nuovi fenomeni quantistici non lineari. Il campo della microscopia elettronica e ulteriori aree della fisica degli elettroni liberi possono trarre vantaggio dalla fusione con cavità fotoniche, consentendo basse dosi, microscopia elettronica ultraveloce di materia soffice o altri materiali sensibili al raggio.

Il prof. Kaminer spera che il microscopio servirà la più ampia comunità Technion in altri campi di ricerca. "Vorrei coltivare la collaborazione interdisciplinare, " ha osservato.