En la holografía convencional, una película fotográfica puede registrar el patrón de interferencia de la luz monocromática dispersada desde el objeto que se va a representar con un haz de referencia de luz no dispersada. Luego, los científicos pueden iluminar la imagen revelada con una réplica del haz de referencia para crear una imagen virtual del objeto original. La holografía fue propuesta originalmente por el físico Dennis Gabor en 1948 para mejorar la resolución de un microscopio electrónico, demostrado usando óptica de luz. Se puede formar un holograma capturando la distribución de fase y amplitud de una señal superponiéndola con una referencia conocida. El concepto original fue seguido por la holografía con electrones, y después de la invención de los láseres, la holografía óptica se convirtió en una técnica popular para la obtención de imágenes en 3D de objetos macroscópicos, cifrado de información e imágenes de microscopía.

Sin embargo, extender hologramas al dominio ultrarrápido actualmente sigue siendo un desafío con los electrones, aunque desarrollar la técnica permitiría la resolución espacio-temporal combinada más alta posible para aplicaciones de imágenes avanzadas en la física de la materia condensada. En un estudio reciente ahora publicado en Avances de la ciencia , Ivan Madan y un equipo de investigación interdisciplinario en los departamentos de Microscopía Ultrarrápida y Dispersión de Electrones, Física, Ciencia y Tecnología en Suiza, el Reino Unido y España, detalló el desarrollo de un holograma utilizando campos electromagnéticos locales. Los científicos obtuvieron los hologramas electromagnéticos con una resolución combinada de attosegundos / nanómetros en un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida (UEM).

En el nuevo método, los científicos se basaron en campos electromagnéticos para dividir una función de onda electrónica en una superposición coherente cuántica de diferentes estados de energía. La técnica se desvió del método convencional, donde la señal de interés y la referencia se separaron espacialmente y se recombinaron para reconstruir la amplitud y fase de una señal de interés para posteriormente formar un holograma. El principio puede extenderse a cualquier tipo de configuración de detección que implique una señal periódica capaz de sufrir interferencias, incluyendo ondas sonoras, Rayos X o formas de onda de pulso de femtosegundos.

Los avances adicionales en el estudio de la holografía dieron como resultado la holografía óptica resuelta en el tiempo, realizado con éxito en el régimen de femtosegundos para una resolución espacial mejorada en espectroscopía electrónica de fotoemisión resuelta en el tiempo (tr-PEEM). Llegar al dominio ultrarrápido también puede convertirse en una realidad, debido a desarrollos recientes en microscopía electrónica de transmisión ultrarrápida que utiliza láseres de femtosegundos para crear pulsos de electrones ultrarrápidos. Los desarrollos han permitido la filmación en tiempo real de modos electrónicos colectivos, campos de tensión y texturas magnéticas a una resolución de unos pocos cientos de femtosegundos.

En el nuevo trabajo Madan y col. demostraron una técnica de imagen de holografía en el dominio del tiempo en un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida (UEM). Basaron la técnica en la interacción coherente cuántica de paquetes de ondas de electrones con múltiples campos ópticos. Para ilustrar el método, Madan y col. capturaron películas sensibles a la fase con resolución de attosegundos / nanómetros de campos electromagnéticos en rápida evolución en estructuras plasmónicas. Los científicos implementaron dos métodos experimentales clave en el estudio en un enfoque para acceder en paralelo a la coherencia cuántica de estados electrónicos genéricos. El trabajo será relevante para otras aplicaciones de óptica cuántica de electrones.

Como una implementación simple de la UEM holográfica, Los científicos basaron la interferencia local de dos campos en dos polaritones de plasmón de superficie de propagación (SPP) (es decir, una onda de oscilación colectiva de electrones libres a lo largo de un metal). Describieron el mecanismo de interacción del pulso de electrones con un solo SPP utilizando fotones convencionales inducidos, microscopía electrónica de campo cercano (PINEM) y luego examinó comparativamente los hologramas producidos a través de la interferencia entre dos SPP en un PINEM holográfico local. Durante PINEM convencional, los electrones pueden absorber o emitir cuantos de energía fotónica de forma inelástica y filtrar los electrones dispersos de forma inelástica para permitir la formación de imágenes en el espacio real de los campos de plasmones.

Para implementar el concepto PINEM holográfico, Madan y col. utilizó una nanoestructura experimental compuesta por dos rendijas perpendiculares, compuesto de película de plata (Ag) fabricada mediante molienda de iones de galio (Ga), depositado sobre una membrana de nitruro de silicio (Si ₃ norte ₄ ). Llevaron a cabo los experimentos en un microscopio electrónico de transmisión modificado. En el trabajo, los científicos utilizaron una segunda onda SPP como referencia y crearon un patrón de interferencia con el SPP de interés para formar un holograma cuando ambas ondas se superpusieron en el espacio y el tiempo. Los científicos observaron hologramas formados por los 2 SPP con retardos de pulso relativos de -77, -20, 0 y 22 femtosegundos mediante el filtrado de energía de electrones dispersos de forma inelástica.

Madan y col. generalizó el enfoque holográfico utilizando la coherencia entre diferentes estados de energía de la escalera cuántica, donde la función de onda de electrones se divide al interactuar con la luz. Dado que los electrones transportan información sobre la amplitud y la fase del campo óptico, incluso después de completar la interacción, los científicos aprovecharon este hecho para permitir la holografía cuántica. En los experimentos, hicieron uso de un campo de luz semi-infinito creado por el reflejo del haz óptico de un espejo óptico transparente de electrones, para crear un campo de referencia independiente del material. La configuración permitió una amplitud espacial y una fase casi constantes para preparar un campo de referencia óptimo para la holografía en el estudio.

En el contexto de este estudio, La coherencia cuántica de un estado electrónico no se refería a la coherencia entre electrones, pero en una medida de la monocromaticidad (singularidad) y la estabilidad de fase de la onda plana de electrones. Madan y col. usó el término para determinar si un electrón estaba en un estado puro o en un estado entrelazado en el medio ambiente. En el sentido cuántico, por lo tanto, la fase entre diferentes estados de energía fue determinada por el operador de evolución temporal y no al azar.

Luego, los científicos reconstruyeron la compleja distribución del campo eléctrico alrededor de nanoestructuras o partículas tridimensionales. Demostraron que la equivalencia matemática de la holografía de plasmón local y la holografía cuántica espacialmente separada permitía que los hologramas grabados fueran tratados con el mismo formalismo de propagación de ondas estacionarias. Madan y col. así se presentó una observación de este efecto mediante el registro de hologramas formados por el frente de onda inclinado de la luz reflejada por un espejo plateado y una onda plasmón emitida por un agujero tallado en la capa plateada. El patrón resultante exhibió una periodicidad que, naturalmente, estaba ausente en un holograma sin formato.

Usando cálculos de modelos, Madan y col. discriminado entre una distribución de electrones altamente coherente (pura) y completamente incoherente (completamente mezclada). Para esto, modelaron la matriz de densidad de los fotoelectrones generados, por ejemplo, utilizando iluminación ultravioleta de un objetivo sólido. Luego coordinaron los estados de los electrones para interactuar con un polaritón de plasmón viajero en la configuración experimental. Al observar la distribución de energía de los electrones, los científicos pudieron establecer si había coherencia parcial en los electrones fotoemitidos. Basado en la observación, propusieron una extensión adicional de la imagen holográfica UEM para realizar prácticamente la UEM holográfica cuántica. Los científicos prevén utilizar la técnica para estudiar posibles objetos de interés como polarizabilidades atómicas, excitones fonones, Higgs y otras excitaciones colectivas y de cuasipartículas en sistemas de materia condensada en el futuro.

El presente trabajo proporcionó información suficiente para reconstruir la matriz de densidad completa de un estado electrónico desconocido, similar a un enfoque anterior sobre la reconstrucción del estado cuántico con trenes de pulsos de attosegundos. Pero a diferencia del trabajo anterior, este método también puede utilizar campos SPP bien controlados para realizar una serie de mediciones proyectivas en paralelo.

De esta forma, Madan et al. demostraron enfoques holográficos tanto locales como espacialmente separados basados ​​en microscopía electrónica de transmisión ultrarrápida (UEM). Los científicos demostraron que el carácter no local de la técnica permitió desacoplar completamente los campos de referencia y de sonda, lo que anteriormente no era posible con técnicas de microscopía óptica o de fotoemisión de campo cercano. El trabajo ofrece una perspectiva única para lograr una resolución combinada atómica y subfemtosegundo dentro de un microscopio de transmisión. El método permitirá un método de detección resuelto espacialmente de coherencias en estados cuánticos de electrones con un gran potencial para la holografía cuántica de electrones y aplicaciones adicionales.

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