Квантовая когерентная электронно-световая связь в сверхбыстром РЭМ. Электроны, фотоэмитируемые импульсами ультрафиолетового лазера (фиолетовые), распространяются через колонку промышленного РЭМ. Электронный пучок (зеленый) фокусируется близко к кончику вольфрамовой иглы (вставка), где он взаимодействует с оптическим ближним полем, возбуждаемым лазерными импульсами с длиной волны 1030 нм, поступающими в РЭМ через окно CF-100 в камере для образцов РЭМ. . Асферическая фокусирующая линза (не показана) находится на расстоянии 25 мм от кончика внутри камеры. Электронные спектры регистрируются с помощью самодельного малогабаритного двухступенчатого магнитно-секторного электронного спектрометра на основе фильтра «Омега», размещенного внутри РЭМ. Плоскость дисперсии спектрометра отображается на микроканальном пластинчатом детекторе, люминофорный экран которого оптически регистрируется снаружи вакуумной камеры с помощью КМОП-камеры. Пример изображения (нижняя правая вставка), на котором невооруженным глазом легко видны отдельные числа электронов (черные точки) и порядки фотонов (вертикальные пунктирные линии). Спектр PINEM получается интегрированием изображения камеры по вертикали [38]. Некогерентно усредненный экспериментальный спектр (черный) с необработанными данными (синий) показывает 24 порядка PINEM, по 12 с каждой стороны, максимум, который мы наблюдали. Кредит:Письма с физическим обзором (2022 г.). DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.235301

Квантовый компьютер — лишь один пример того, насколько важно понимание фундаментальных процессов, лежащих в основе взаимодействия между фотонами и электронами. В сочетании со сверхкороткими лазерными импульсами можно измерить, как фотоны изменяют энергию и скорость электронов. Эта фотонно-индуцированная электронная микроскопия (PINEM) до сих пор полностью полагалась на просвечивающие электронные микроскопы (TEM). Хотя они имеют разрешение, позволяющее точно определять отдельные атомы, они значительно дороже, чем сканирующие электронные микроскопы (СЭМ), а их камера для образцов чрезвычайно мала, всего несколько кубических миллиметров.

Измерение различий до нескольких сотен тысячных долей целого

Исследователям кафедры лазерной физики профессора доктора Петера Хоммельхоффа удалось модифицировать традиционный РЭМ для проведения экспериментов PINEM. Они разработали специальный спектрометр, основанный на магнитных силах, который интегрируется непосредственно в микроскоп. Основной принцип заключается в том, что магнитное поле отклоняет электроны в большей или меньшей степени в зависимости от их скорости. Используя детектор, который преобразует столкновения электронов в свет, дается точное значение этого отклонения. Этот метод позволяет исследователям измерять даже мельчайшие изменения энергии, вплоть до разницы всего в несколько сотен тысячных от исходного значения — достаточно, чтобы дифференцировать вклад одного кванта световой энергии — фотона.

В будущем возможен более широкий спектр экспериментов

Открытие эрлангенских физиков является новаторским во многих отношениях. С финансовой точки зрения, возможность исследовать взаимодействия фотонов и электронов без использования ПЭМ, стоимость которых составляет несколько миллионов евро, может сделать исследования более доступными. Кроме того, поскольку камера СЭМ обычно имеет объем до 20 кубических сантиметров, теперь возможен гораздо более широкий спектр экспериментов, поскольку дополнительные оптические и электронные компоненты, такие как линзы, призмы и зеркала, могут быть размещены непосредственно рядом с образцами. Исследователи ожидают, что через несколько лет вся область микроскопических квантовых экспериментов переместится с ПЭМ на СЭМ.