Per diversi decenni, i fisici sanno che la luce può essere descritta contemporaneamente come un'onda e 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. Ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology, però, hanno recentemente raccolto le prime prove sperimentali che rivelano la natura quantistica dell'interazione tra fotoni ed elettroni liberi. Le loro scoperte, pubblicato in Scienza , potrebbe avere importanti implicazioni per la ricerca futura che studi i fotoni e la loro interazione con gli elettroni liberi.

"L'idea del 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 di cento volte il periodo ottico, "Raffaele Dahan, Alexey Gorlach e Ido Kaminer, tre dei ricercatori che hanno condotto lo studio, detto a Phys.org via e-mail. "In questo periodo, sono usciti anche due importanti lavori teorici, entrambi 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), ha predetto 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 e i loro colleghi hanno iniziato a cercare un sistema in cui sarebbero stati in grado di indagare sperimentalmente questa interazione. Più specificamente, i ricercatori volevano dimostrare che le statistiche quantistiche della luce possono alterare l'interazione elettrone-luce.

"Questo ci ha portato a cercare due componenti importanti, "Kaminer, Dahan e Gorlach hanno spiegato. "Il primo è un dispositivo che avrà un miglior accoppiamento tra l'elettrone e la luce, e la seconda 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 elettronica compatta utilizzando laser e integrarlo su chip. Dopo una serie di calcoli, il team ha scoperto che l'efficienza dell'accoppiamento può essere migliorata centinaia di volte rispetto a quanto suggerito da tutti gli esperimenti precedenti.

"Abbiamo prima collaborato con un gruppo di Stanford (Solgaard, Inghilterra, leedle, Byer, e i loro studenti) – hanno progettato e fornito una struttura ACHIP per la prima prova, "Kaminer, Dissero 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 aveva già risvolti affascinanti, con conseguente un altro documento che apparirà presto in PRX, di Yuval Adiv et al."

Successivamente, Kaminer e i suoi colleghi hanno avviato una collaborazione con un'altra parte della comunità ACHIP, un team 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 quantica, i ricercatori hanno lavorato a stretto contatto con il gruppo Eisenstein al 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 e 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 fungono da rivelatori dello stato della luce. Così, 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 dagli articoli teorici da cui hanno tratto ispirazione. "Solo una volta usando questa nuova teoria, l'accordo con le nostre misurazioni è diventato molto buono, " ha detto Kaminer. "Da un punto di vista 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 un cammino quantistico da parte dell'elettrone e la sua transizione in un cammino casuale".

Oltre a aprire potenzialmente la strada a nuove ricerche sulla fisica correlata alla luce, l'evidenza sperimentale potrebbe informare 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 mostrato che si possono usare gli elettroni liberi per misurare le statistiche dei fotoni quantistici della luce, "Kaminer, Dissero Dahan e Gorlach. "Ci sono diversi vantaggi di tali misurazioni che potrebbero essere dimostrati in futuro, Per esempio, essere non distruttivo, ad alta risoluzione temporale, e accadendo nel campo vicino con un'alta risoluzione spaziale."

Il recente lavoro di Kaminer e del suo team 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, per 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, "Kaminer, Dissero Dahan e Gorlach. "Il primo sta lavorando 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".

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