Применение ультракоротких электронных пучков
Электронный микроскоп можно заставить испускать ультракороткие пучки электронов, освещая его источник электронов — острый металлический наконечник — фемтосекундными лазерными импульсами. Из-за отрицательного заряда выталкиваемые электроны отталкиваются друг от друга, распределяя свою энергию и ухудшая контраст и разрешение микроскопа.
В 2023 году Рудольф Хайн дл и его коллеги из Института междисциплинарных наук им. Макса Планка в Германии показали, что для небольшого количества электронов каждый из них имеет энергию, чётко отличимую от других. Теперь та же команда пошла дальше, отобразив эффект взаимодействия как в энергетическом, так и во временном аспекте, и даже контролируя его светом вплоть до аттосекундного масштаба [1].
Отображение разницы во времени и энергии
Разницу во времени и энергии между двумя электронами, измеренную для множества пар, можно представить в виде двумерного фазового пространства. Для его отображения Хайн дл и его коллеги установили кремниевую мембрану внутри камеры своего электронного микроскопа. Воздействие на мембрану импульсами лазерного света создавало оптическое ближнее поле, которое рассеивало электроны при прохождении через него. Измерение электронов с помощью энергетического фильтра показало, какие из них были поражены лазером.
Исследователи варьировали время между импульсом, генерирующим электроны, и импульсом, рассеивающим их, чтобы измерить их комбинированную энергетически-временную структуру. В результате для каждой пары они могли измерить задержку (в фемтосекундах) между более медленным и более быстрым электроном.
Далее, используя более длинный лазерный импульс, охватывающий оба электрона, исследователи нанесли фиксированную оптическую фазу на оба электрона. Эта тактика синхронизировала пары электронов на аттосекундных временных масштабах, что стало важным шагом на пути к контролю динамики свободных электронов. Такой контроль может стимулировать достижения в области электронной микроскопии, квантовых технологий и сверхбыстрой электроники.
— Чарльз Дэй, старший редактор журнала Physics Magazine.
Оптические гребёнки и квантовая запутанность
От атомных часов до датчиков окружающей среды — многие технологии полагаются на источники света, называемые оптическими частотными гребёнками. Эти устройства производят спектры равноотстоящих линий, которые можно использовать для спектроскопических измерений. Для типичной гребёнки скорость и точность этих измерений ограничены шумом, вызванным квантовыми флуктуациями света.
Теперь Чжэшен Чжан из Мичиганского университета и его коллеги продемонстрировали, как запутанность может быть использована для подавления этого шума для более быстрых и точных измерений [1].
Исследователи объединили свет от обычной оптической гребёнки со светом от специально сконструированной, в которой многие пары частотных линий были запутаны. Затем они пропустили полученный яркий, запутанный свет через образец газа, где свет зафиксировал сигнатуру поглощения газа. Наконец, они сравнили свет, выходящий из образца, со светом от эталонной гребёнки, чтобы измерить спектр поглощения газа. Этот процесс измерения использовал корреляции между запутанными частотными линиями для частичного подавления квантового шума.
Чтобы проверить эффективность своей методики, Чжан и его коллеги повторили эксперимент, но начали с двух обычных гребёнок. Они обнаружили, что их подход, основанный на запутанности, увеличил отношение сигнал/шум на 80% и сократил время, необходимое для измерения спектра поглощения, на 40%. Они говорят, что их методика может найти применение в метрологии и хронометрии, а также хорошо подходит для динамического химического и биологического зондирования, где часто требуются быстрые и точные измерения в условиях сильных ограничений по мощности.
— Райан Уилкинсон, редактор журнала Physics Magazine из Дарема, Великобритания.