光子控制的电子束推动量子计量学的发展

       集成光子学和电子显微镜的结合发展了一种高效电子束调制方法。洛桑联邦理工学院 (EPFL)、马克斯普朗克生物物理化学研究所 (MPIBPC) 和哥廷根大学的科学家们描述的实验工作准备使用电子显微镜推动先进量子计量学的发展—尤其是量子测量方案.

       基于集成光子学原理，合作者展示了连续电子束的相干相位调制—这是标准电子显微镜无法实现的成果。

       科学家使用超快电子显微镜能够观察自由电子量子行走、阿秒电子脉冲和全息电磁成像。集成光子学可以控制许多量子系统中的光-物质相互作用，包括原子、俘获离子和量子点。将电子显微镜与光学激发相结合的能力越来越受到关注，但它受传播电子与光子的弱相互作用的制约。

       由 EPFL 教授 Tobias J. Kippenberg 和 MPIBC 和哥廷根大学的 Claus Ropers 教授领导的瑞士-德国团队使用氮化硅微谐振器以增强光子电路的光场，并且演示了连续波系统中高效的电子-光子相互作用。研究人员实现了对耦合到电子束的单个受限集成微谐振器模式的光学输入和输出通道的完全控制。

科学家利用集成光子电路实现了高效的电子束调制。这些实验可能会在电子显微镜中产生新的量子测量方案。在实验工作中，通过优化环形谐振器(中心)以匹配电子的速度。 由Alex Mehler (Woogieworks) 提供。

       Ropers 小组的研究人员通过操作电子束穿过光子电路的光学近场让电子与增强的光相互作用。他们通过测量吸收或发射数十到数百个光子的电子的能量来探测电子-光相互作用。

       Kippenberg 的研究小组为了使微型环形谐振器中的光速与电子的速度相匹配，制作了实验用的光子芯片。由研究人员创造的光子结构使单光模式的电子-光相互作用能够完全控制输入和输出光，从而显著增加了电子-光相互作用。

       光学谐振器的高精度和专为相位匹配设计的波导使在极低的连续波光功率下进行有效的电子-光子散射。这项技术使连续波激光器仅用几毫瓦（mW）就能对电子束进行强有力的调制--这种功率水平可由普通激光笔产生。最初的电子状态是在腔体耦合功率仅为5.35微瓦的情况下耗尽的。在几毫瓦的情况下，产生了500多个电子能量边带。

       该方法简化了电子束的光学控制，并且提高了光学控制的效率。此外，该技术可以在标准透射电子显微镜中完全实现。

       Kippenberg 说：“基于低损耗氮化硅的集成光子电路取得了巨大的进步，并正在集中推动许多新兴技术和基础科学的进步，例如激光雷达、电信和量子计算。” “现在集成光子学被证明是电子束操纵的新要素。”

       这项工作还介绍了一个探索自由电子量子光学的平台，研究团队计划扩展他们的合作范围，探索自由电子的量子光学和阿秒计量学。未来的研究将着重于强耦合、局部量子探测和电子-光子纠缠。

研究中使用的实验装置，展示了用于演示电子-光子相互作用的透射电子显微镜和氮化硅微谐振器。 由Murat Sivis 提供。

       科学家补充说：“该方法为在激光相位板、光束调制器和连续波阿秒脉冲序列、共振增强光谱和介电激光加速的背景下增强电子束控制提供了一个通用、有效的框架。”

       Ropers说：“将电子显微镜与光子学连接起来有可能独特地将原子尺度成像与相干光谱联系起来”，“在未来，我们预计这将对微观光学激发产生前所未有的理解和控制。”

       该研究发表在《Nature》杂志上（www.doi.org/10.1038/s41586-021-04197-5）。

       消息来源：https://www.photonics.com/Articles/Photonically_Controlled_Electron_Beams_Push/a67662