量子領域重大突破！量子顯微鏡可觀察納米材料捕光過程

「這是我們第一次真正看到光被納米材料捕獲時的動態，而不是依靠計算機模擬。」

今年 6 月，一篇題為 「Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity」《自由電子與光子腔之間的相干相互作用》的論文發表在 Nature 上，該文第一作者王康鵬（Kangpeng Wang）對其團隊的最新研究成果作出如上描述。

據了解，王康鵬是通過一種記錄光流的四維（4D）電子顯微鏡實現 「首次真正看到光被納米材料捕獲」 的，這臺顯微鏡可以直接觀察光子晶體內捕獲的光，也稱量子顯微鏡（quantum microscope），由以色列理工學院教授伊多・卡米納（Ido Kaminer）及其研究團隊開發。

據卡米納介紹，使用這臺顯微鏡，可以改變照亮任何納米材料樣本的光的顏色和角度，並匹配出它們的電子相互作用，正如在光子晶體中所展示的那樣。對於不同顏色的光，光子晶體會以不同的模式進行捕獲，且這一過程能夠通過量子顯微鏡看到。

卡米納團隊這一研究成果或將有助於設計新的量子材料以存儲具有高穩定性的量子比特、提高手機以及其他類型屏幕的解析度和色彩對比度等，卡米納說，「一旦我們研究更先進的納米 / 量子材料，它將產生更大的影響。」

「第一次」 總是令人激動且意義非凡的，卡米納團隊的 「第一次看到」 實為量子領域一大突破。

卡米納團隊開發的電子顯微鏡，用於觀察多維研究納米級成像和光子腔 - 自由電子的相互作用。觀察電子光譜的拉比震蕩可以證實，利用電子的量子特性，該量子顯微鏡能夠獲得記錄的近場光學圖。

可以將該電子顯微鏡視為一個飛秒泵浦探針裝置，能夠使用光脈衝激發樣品，用電子脈衝探測樣品的瞬態，實現電子脈衝穿透樣品並對其成像。

雖然早有多種理論預測自由電子能夠激發新的空腔效應，但是由於相互作用的強度和持續時間的基本限制，以前對於自由電子並沒有觀察到光子空腔效應。

這也是卡米納團隊此次研究最大的突破所在，實現多維納米成像，為超快自由電子 - 光相互作用的研究進展引入一種新型量子物質 —— 量子自由電子 「波包」，它不受固定能量狀態、光譜範圍和選擇規則的限制。

此前量子電動力學（QED）已經研究了量子物質與光的腔模之間的相互作用，這對於構成量子技術基礎結構的基礎物理學的發展至關重要。更有效的自由電子 - 空腔 - 光子相互作用可以實現強耦合、光子量子態合成和新穎的量子非線性現象。電子顯微鏡和自由電子物理學的其他領域可以從與光子腔的融合中獲得，從而實現對軟物質或其他對射線敏感的材料進行低劑量、超快電子顯微鏡檢查。