El profesor de Technion Ido Kaminer y su equipo han logrado un avance dramático en el campo de la ciencia cuántica:un microscopio cuántico que registra el flujo de luz, permitiendo la observación directa de la luz atrapada dentro de un cristal fotónico.

Su investigación, "Interacción coherente entre electrones libres y una cavidad fotónica, "fue publicado en Naturaleza . Todos los experimentos se realizaron utilizando un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida único en el Instituto de Tecnología Technion-Israel. El microscopio es el último y más versátil de los pocos que existen en el mundo científico.

"Hemos desarrollado un microscopio electrónico que produce, lo que es en muchos aspectos, la mejor microscopía óptica de campo cercano del mundo. Usando nuestro microscopio, podemos cambiar el color y el ángulo de luz que ilumina cualquier muestra de nanomateriales y mapear sus interacciones con los electrones, como demostramos con cristales fotónicos, ", explicó el profesor Kaminer." Esta es la primera vez que podemos ver la dinámica de la luz mientras está atrapada en nanomateriales, en lugar de depender de simulaciones por computadora, "agregó el Dr. Kangpeng Wang, un postdoctorado en el grupo y primer autor del artículo.

Todos los experimentos se realizaron en el microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida en el Laboratorio de Dinámica Cuántica de Rayos Electrónicos Robert y Ruth Magid, dirigido por el Prof. Kaminer. Es miembro de la facultad de la Facultad de Ingeniería Eléctrica Andrew y Erna Viterbi y del Instituto de Estado Sólido, y afiliado al Helen Diller Quantum Center y al Russell Berrie Nanotechology Institute. El equipo de investigación también incluye:Dr. Kangpeng Wang, Rafael Dahan, Michael Shentcis, Dr. Yaron Kauffmann, Adi Ben-Hayun, Ori Reinhardt, y Shai Tsesses.

Aplicaciones de gran alcance

Es probable que este avance tenga un impacto en numerosas aplicaciones potenciales, incluido el diseño de nuevos materiales cuánticos para almacenar bits cuánticos con mayor estabilidad. Similar, puede ayudar a mejorar la nitidez de los colores en teléfonos móviles y otros tipos de pantallas.

“Tendrá un impacto aún mayor una vez que investiguemos materiales nano / cuánticos más avanzados. Tenemos un microscopio de resolución extremadamente alta y estamos comenzando a explorar las siguientes etapas, "Prof. Kaminer explicó." Por ejemplo, las pantallas más avanzadas del mundo actual utilizan tecnología QLED basada en puntos cuánticos, lo que permite controlar el contraste de color con una definición mucho más alta. El desafío es cómo mejorar la calidad de estos diminutos puntos cuánticos en grandes superficies y hacerlas más uniformes. Esto mejorará la resolución de la pantalla y el contraste de color incluso más de lo que permiten las tecnologías actuales ".

Un nuevo tipo de materia cuántica

El microscopio electrónico de transmisión ultrarrápida del laboratorio AdQuanta del profesor Kaminer tiene un voltaje de aceleración que varía de 40 kV a 200 kV (acelera los electrones al 30-70% de la velocidad de la luz), y un sistema láser con pulsos de menos de 100 femtosegundos a 40 Watts. El microscopio de transmisión de electrones ultrarrápido es una configuración de sonda de bomba de femtosegundos que utiliza pulsos de luz para excitar la muestra y pulsos de electrones para sondear el estado transitorio de la muestra. Estos pulsos de electrones penetran en la muestra y la forman. La inclusión de capacidades multidimensionales en una configuración es extremadamente útil para la caracterización completa de objetos a nanoescala.

En el corazón del gran avance se encuentra el hecho de que los avances en la investigación de las interacciones ultrarrápidas entre electrones libres y luz han introducido un nuevo tipo de materia cuántica:los "paquetes de ondas" cuánticos de electrones libres. En el pasado, La electrodinámica cuántica (QED) estudió la interacción de la materia cuántica con los modos de luz de la cavidad, lo que ha sido crucial en el desarrollo de la física subyacente que constituye la infraestructura de las tecnologías cuánticas. Sin embargo, todos los experimentos hasta la fecha solo se han centrado en la interacción de la luz con los sistemas de electrones ligados, como los átomos, puntos cuánticos, y circuitos cuánticos, que están significativamente limitados en sus estados de energía fija, rango espectral, y reglas de selección. Paquetes de ondas cuánticos de electrones libres, sin embargo, no tienen tales límites. A pesar de las múltiples predicciones teóricas de excitantes efectos de nuevas cavidades con electrones libres, No se ha observado previamente ningún efecto de cavidad fotónica para los electrones libres, debido a límites fundamentales en la fuerza y ​​duración de la interacción.

El profesor Kaminer y su equipo han desarrollado una plataforma experimental para el estudio multidimensional de las interacciones de electrones libres con fotones a nanoescala. Su microscopio único logró registrar mapas ópticos de campo cercano utilizando la naturaleza cuántica de los electrones, que se verificaron observando oscilaciones de Rabi del espectro de electrones que no pueden ser explicadas por la teoría clásica pura.

Interacciones más eficientes entre electrones libres, cavidades y fotones podrían permitir un fuerte acoplamiento, síntesis de estado cuántico de fotones, y nuevos fenómenos cuánticos no lineales. El campo de la microscopía electrónica y áreas adicionales de la física de electrones libres pueden beneficiarse de la fusión con cavidades fotónicas, permitiendo dosis bajas, Microscopía electrónica ultrarrápida de materia blanda u otros materiales sensibles al haz.

El profesor Kaminer espera que el microscopio sirva a la comunidad de Technion en otros campos de investigación. "Me gustaría fomentar la colaboración interdisciplinaria, " El lo notó.