Прорыв в голографии: электроны визуализируют наномасштабные объекты за пределами световых пределов

Свободно распространяющиеся электроны позволяют видеть свет за пределами длины волны

Исследователи используют свободно распространяющиеся электроны, чтобы увидеть, как ведет себя свет за пределами ограничений длины волны. Они смогли разработать новый голографический метод, захватывающий наномасштабные объекты. Это может открыть новые двери для квантовых вычислений.

Концепция голограммы была впервые открыта в 1948 году, но ученые не могли создавать голограммы до изобретения подходящего источника света — лазера — в 1960 году. С тех пор голография стремительно развивалась как в области дисплеев, так и в научной визуализации.

Оптическая голография стала популярным методом 3D-изображения макроскопических материалов и приложений безопасности. Однако пространственное разрешение этого метода ограничено длиной волны света (1 микрометр). Таким образом, его нельзя использовать для визуализации более мелких (наномасштабных) объектов.

Недавно исследователи Швейцарского федерального технологического института придумали технику, помогающую им наблюдать, как ведет себя свет за пределами ограничений длины волны (в нанометровом масштабе). Они использовали странную фотографическую среду — свободно распространяющиеся электроны.

Электроны взаимодействуют со светом

Направление света и свободных электронов — критически важный параметр, потому что, в отличие от обычной фотографии, он чувствителен к фазе света. После взаимодействия со светом электроны существуют в состояниях суперпозиции с разными энергиями.

Источник: Science Advances | DOI:10.1126/sciadv.aav8358 | EPFL

Если эти электроны взаимодействуют с другим лазерным импульсом, их состояния быстро меняются в зависимости от наименьшей задержки между ними, демонстрируя очень разное распределение энергии. Исследователи строят карту распределений энергии, чтобы точно определить положение света в данный момент.

Свободно распространяющиеся электроны взаимодействуют со светом и меняют свое состояние | Источник: исследователи

Фактически, они использовали этот физический принцип для создания фильма в реальном времени о распространении световой волны в наноструктурах с наилучшим разрешением по пространству и времени.

Путь к квантовым вычислениям

Чтобы изолировать электронно-референсные и электронно-изображающие пучки по энергии, исследователи использовали квантовую природу взаимодействия электрон-свет. Это позволило им зашифровать данные на волновой функции электрона, используя световые импульсы. Можно отображать данные с ультразыковой передаточной электронной микроскопией.

В целом, у этой новой техники есть 2 основных преимущества:

1. Визуализация электромагнитных полей с нанометровой и аттосекундной точностью в пространстве и времени.
2. Ее можно применять в квантовых вычислениях для настройки квантовых характеристик свободных электронов.

Подход обеспечивает наивысшее пространственное разрешение среди всех существующих техник. Доселе технология была ограничена микроскопическими оптическими приборами, использующими свободно распространяющиеся фотоны.

Это первый шаг к интеграции и миниатюризации светового оборудования на интегральных схемах. Исследование также открывает возможность лучше понять, как свет ведет себя в фотонных компьютерах, наночастицах и атомах.