量子領(lǐng)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(shí)的動(dòng)態(tài)，而不是依靠計(jì)算機(jī)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(fā)表在 Nature 上，該文第一作者王康鵬（Kangpeng Wang）對其團(tuán)隊(duì)的最新研究成果作出如上描述。

據(jù)了解，王康鵬是通過一種記錄光流的四維（4D）電子顯微鏡實(shí)現(xiàn) “首次真正看到光被納米材料捕獲” 的，這臺(tái)顯微鏡可以直接觀察光子晶體內(nèi)捕獲的光，也稱量子顯微鏡（quantum microscope），由以色列理工學(xué)院教授伊多卡米納（Ido Kaminer）及其研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)。

據(jù)卡米納介紹，使用這臺(tái)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，并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。對于不同顏色的光，光子晶體會(huì)以不同的模式進(jìn)行捕獲，且這一過程能夠通過量子顯微鏡看到。

卡米納團(tuán)隊(duì)這一研究成果或?qū)⒂兄谠O(shè)計(jì)新的量子材料以存儲(chǔ)具有高穩(wěn)定性的量子比特、提高手機(jī)以及其他類型屏幕的分辨率和色彩對比度等，卡米納說，“一旦我們研究更先進(jìn)的納米 / 量子材料，它將產(chǎn)生更大的影響。”

“第一次” 總是令人激動(dòng)且意義非凡的，卡米納團(tuán)隊(duì)的 “第一次看到” 實(shí)為量子領(lǐng)域一大突破。

卡米納團(tuán)隊(duì)開發(fā)的電子顯微鏡，用于觀察多維研究納米級(jí)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(shí)，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(xué)圖。

可以將該電子顯微鏡視為一個(gè)飛秒泵浦探針裝置，能夠使用光脈沖激發(fā)樣品，用電子脈沖探測樣品的瞬態(tài)，實(shí)現(xiàn)電子脈沖穿透樣品并對其成像。

雖然早有多種理論預(yù)測自由電子能夠激發(fā)新的空腔效應(yīng)，但是由于相互作用的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的基本限制，以前對于自由電子并沒有觀察到光子空腔效應(yīng)。

這也是卡米納團(tuán)隊(duì)此次研究最大的突破所在，實(shí)現(xiàn)多維納米成像，為超快自由電子 - 光相互作用的研究進(jìn)展引入一種新型量子物質(zhì) —— 量子自由電子 “波包”，它不受固定能量狀態(tài)、光譜范圍和選擇規(guī)則的限制。

此前量子電動(dòng)力學(xué)（QED）已經(jīng)研究了量子物質(zhì)與光的腔模之間的相互作用，這對于構(gòu)成量子技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要。更有效的自由電子 - 空腔 - 光子相互作用可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合、光子量子態(tài)合成和新穎的量子非線性現(xiàn)象。電子顯微鏡和自由電子物理學(xué)的其他領(lǐng)域可以從與光子腔的融合中獲得，從而實(shí)現(xiàn)對軟物質(zhì)或其他對射線敏感的材料進(jìn)行低劑量、超快電子顯微鏡檢查。