原創 長光所Light中心 中國光學
封面圖：量子顯微鏡
圖片來源： AMERICAN TECHNION SOCIETY
撰稿 | 陳飛
01
導讀
超快自由電子和光之間相互作用的研究進展引入了一種以前未知的量子物質，量子自由電子波包。迄今為止，腔體中的光與量子物質相互作用的研究主要集中在原子、量子點和量子電路等束縛電子系統上，這些束縛電子系統在很大程度上受到其固定的能態、光譜範圍和選擇規律的限制。而量子自由電子波包沒有這樣的限制，但迄今為止還沒有實驗表明光子腔對量子自由電子波包的影響。
近日，Ido Kaminer 教授帶領的團隊在世界頂尖期刊 Nature 上發表文章，他們開發了一套觀察自由電子與光子腔的相互作用的多維納米尺度的成像和光譜學平臺。利用這臺超快電子透射顯微鏡可以改變照亮任何納米材料樣品的光的顏色和角度，並繪製光子與電子的相互作用。這是人們第一次真正看到光被困在納米材料中的動態，而不是依靠計算機模擬。
這一突破可能會對許多潛在的應用產生影響，包括用於更穩定地存儲量子比特的新型量子材料的設計。同樣，它可以幫助提高手機和其他屏幕的色彩清晰度。
視頻（3′27″）：記錄光子流動的新型量子顯微鏡
視頻來源：Technion
02
背景介紹
由倏逝光場介導的自由電子和雷射脈衝之間的超快相互作用，使得在納米尺度上探索飛秒動力學的強大工具得以發展。這種類型的相互作用,稱為光子誘導近場電子顯微鏡(PINEM)，被用來演示雷射驅動自由電子的量子遊走,阿託秒電子脈衝序列、轉移角動量的近場自由電子和在毫電子伏特級別的能量解析度的等離子體光學成像技術(雷射誘導)。相互作用後，電子分裂成一個由光子能量ħω等距的量子疊加態的狀態，也就是說電子跨越了構成一種新型量子物質的能級的「階梯」。人們因此受到啟發，將這樣一個自由電子放置在具有大品質因子(Q)的腔中，以與腔中的束縛電子系統相同的方式改變這種量子相干激發的性質。
與束縛電子相比，自由電子可以在更高的能量尺度和更短的時間尺度上相互作用。與束縛電子不同的是，束縛電子被限制在離散的能級上，自由電子佔據連續的能量，可以用可調諧的方式量化成電子能量階梯。
這種可調性可能導致量子非線性光學、量子態合成和電子與光子的量子相關性的基本效應。
然而，由於固有光損耗和低Q因子的影響，目前報導的實驗電子-光子相互作用在增強的相互作用強度或持續時間上都沒有顯示出光子腔的任何影響。本文作者演示了低損耗、介電性光子晶體腔的相互作用，並測量了在光子晶體腔模式下自由電子Rabi振蕩作為位置函數的空間模擬。Rabi振蕩驗證了該系統中電子的量子性質，並證實了純經典理論在該實驗中不足以描述光-物質的相互作用。
基於此，Ido Kaminer教授團隊提出了一個用於納米級電子-腔-光子相互作用的平臺。在該平臺中，研究人員實驗獲得了迄今為止報導的最強的相干電子-光相互作用。相互作用的強度使我們能夠通過自由電子探針測量腔內光子的壽命，並使用低到皮焦耳級別的脈衝能量獲得PINEM相互作用。除了相互作用的時間動力學外，還能夠將光子帶結構解析為能量、動量和偏振的函數，同時捕獲深亞波長解析度下腔模的空間分布。
這些能力為納米結構提供了超越非相干展寬限制的多維表徵，並為軟物質和其他脆弱樣品的低劑量激發和探測提供了一條途徑。該文章結果為自由電子與空腔光子的強耦合以及先前未知的電子-光子和電子-電子糾纏鋪平了道路。
03
創新研究
超快電子透射顯微鏡是一個飛秒泵浦探針裝置，使用光脈衝激發樣品和電子脈衝探測樣品的瞬態狀態。這些電子脈衝穿透樣品並對其成像。在一個設置中包含多維能力是非常有用的，以充分表徵納米尺度的對象。這項突破的核心在於，超快自由電子-光相互作用研究的進展已經引入了一種新的量子物質——量子自由電子波包。
作者利用量子自由電子波包探測安裝在超快投射電子顯微鏡上的具有多維度的光腔（特別是光子晶體膜），如圖1所示。和其他顯微鏡一樣，飛秒雷射脈衝被分成兩部分:一部分用來激發樣品(泵)，另一部分產生電子脈衝(探針)與樣品相互作用。通過電子能量濾波（圖1a），利用探針電子成像真實空間中的光場分布，以深亞波長解析度分辨納米結構的近場。改變了樣品傾斜相對於雷射泵浦(圖1b)，以實現與光子腔諧振的耦合。通過改變泵浦雷射波長(圖1c)和偏振(圖1d)，可以充分表徵諧振。利用泵浦雷射脈衝和探針電子脈衝之間的可控延遲時間(圖1e)，可以在超快的時間尺度上成像光子腔內的光動力學。
通過相干自由電子探針直接測量空腔-光子的壽命，並觀察到相對於以前的電子-光子相互作用的實驗，在相互作用強度上增加了一個數量級。自由電子探針解決了相互作用的時空和能量-動量信息。電子光譜的空間映射證明了電子的量子性質。自由電子和空腔光子之間的相互作用可以實現對軟物質或其他對光束敏感的材料進行低劑量、超快的電子顯微鏡觀察。
圖1. 多維光譜的超快電子透射顯微鏡（空間，動量，能量，極化和時間）
圖片來源：Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M. et al. Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature 582, 50–54 (2020). Extended Data Fig. 1
在研究電子-空腔-光子相互作用的強度之前，作者用電子探針表徵了一個三角形光子晶體腔。首先，作者測量了在波長為525-950 nm，入射角度為0°-24.4°時，橫向TM極化和橫向TE極化的光子晶體的能帶結構(圖2a)。電子與平行於電子速度的電場分量相互作用直接測量了光子晶體的Bloch模，其深亞波長解析度為~ 30nm（圖2b）。（Nature 462,902–906 (2009)；Nano Lett. 10, 1859–1863(2010)；ew J. Phys. 12,123028 (2010).）
圖2. 光子晶體的帶結構重建和Bloch模式的直接成像。
圖片來源：Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M. et al. Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature 582, 50–54 (2020). Fig. 2
根據光子在腔中的壽命，在零延遲時間附近，譜表現出典型的時間對稱行為(低Q)或時間不對稱行為(高Q)。這個高Q值導致相互作用強度相對於目前報導的最高PINEM相關值增加了一個數量級以上。（圖3a）圖3b顯示了相互作用概率與入射雷射脈衝能量的關係，當脈衝能量低至100 pJ時，這種關係仍然可見。圖3a的插圖也顯示了作為脈衝能量的函數的總相互作用概率，顯示腔比測量的鋁膜提升了10，比文獻中報導的金膜提升了30。（Proc. Natl Acad.Sci. USA 113, 2041–2046 (2016).）大q腔模對電子-光子相互作用的顯著增強也為軟物質和其他光束敏感樣品的低劑量激發提供了途徑。在超快電子顯微鏡實驗中，低激發劑量是通過空腔共振和少量電子引起的場增強來實現的。
圖3. 光子晶體腔中電子與皮焦耳雷射脈衝的增強相互作用，及其在敏感材料的量子態合成和超快電子顯微鏡研究中的可能應用。
圖片來源：Wang, K., Dahan, R., Shentcis, M. et al. Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity. Nature 582, 50–54 (2020). Fig. 5
最後，就像被束縛的電子一樣，自由電子的物理性質可以通過將其插入空腔來改變。可以把自由電子看作可能的量子位，用來保存或傳遞量子信息。腔的態密度的存在可能極大地改變自由電子自發發射的能量和速率，從而形成Compton散射、Cherenkov輻射甚至自由電子雷射的新體系。甚至可能對發射的光子統計進行設計，從自由電子產生量子光源。
04
未來展望
電子顯微鏡和自由電子物理的其他領域可以從與光子腔的融合中獲益，使軟物質或其他對光束敏感的材料的低劑量、超快電子顯微鏡成為可能。
而這種電子顯微鏡可以進一步發展為量子傳感，電子-光子相互作用為電子顯微鏡內的光學腔上的微小物體(如分子和蛋白質)提供間接的、非破壞性的傳感方案。
同時，這種相互作用也可能為利用自由電子進行量子信息處理和量子傳感開闢道路。未來的研究可以實現自由電子強耦合，光子量子態合成和量子非線性現象，如腔光力學。
同樣，它可以幫助提高手機和其他屏幕的色彩清晰度。比如，當今世界上最先進的屏幕使用基於量子點的QLED技術，使控制色彩對比度的清晰度高得多。目前面臨的挑戰是如何提高大表面上這些微小量子點的質量，並使它們更加均勻，提高屏幕解析度和顏色對比度。
文章信息：
相關成果以「 Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity 」為題發表在 Nature 。
論文地址：
https://doi.org/10.1038/s41586-020-2321-x
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原標題：《Nature：記錄光子流動的新型量子顯微鏡》
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