Способность точно изучать электроны и управлять ими в электронных микроскопах может открыть новые возможности для разработки как сверхбыстрых методов визуализации, так и квантовых технологий.
За последние несколько лет физики разработали новые экспериментальные инструменты для изучения поведения электронов, не связанных с каким-либо материалом, используя так называемые наномасштабные полевые эмиттеры — крошечные металлические наконечники, которые высвобождают электроны под воздействием сильных электрических полей.
Исследователи из Института междисциплинарных исследований Общества Макса Планка недавно провели исследование, направленное на то, чтобы пролить новый свет на взаимосвязь между парами испускаемых электронов и на то, как их поведение меняется со временем.
Их статья, опубликованная в Physical Review Letters, представляет перспективный подход к прямой визуализации и когерентному управлению парами электронов в ультракороткие временные промежутки.
«Всего два года назад мы обнаружили, что ультракороткие электронные импульсы в электронном микроскопе демонстрируют своеобразный порядок по энергии, который очень характерен для точного количества электронов в импульсе», — рассказал Phys.org Рудольф Хайндл, первый автор статьи. «Иными словами, два электрона ведут себя определённым образом, а три или четыре электрона — по-своему».
Эффект был описан в публикации Nature Physics в 2023 году и является результатом взаимного кулоновского отталкивания электронов во время их совместного ускорения в микроскопе.
В рамках своего нового исследования Хайндл и его коллеги хотели изучить точные свойства хорошо определённых пучков из нескольких электронов в ультракоротких электронных импульсах, испускаемых из нанонаконечника. В своём анализе они одновременно сосредоточились на энергии этих электронов и их эволюции во времени.
«Наши вопросы были таковы: когда именно каждый из электронов достигает плоскости образца в микроскопе и с какой энергией?» — сказал профессор Клаус Роперс, ведущий учёный исследования. «Эти вопросы актуальны как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения экспериментальной задачи, которая изначально нас заинтересовала».
Для изучения взаимосвязи между парами испускаемых электронов во времени и энергии Хайндл и его коллеги позволили им взаимодействовать с сильным лазерным импульсом вблизи кремниевой мембраны толщиной в нанометр. Хотя эта мембрана позволяет электронам проходить через неё, при освещении лазером она генерирует крошечное электромагнитное поле на своей поверхности. Это поле, в свою очередь, рассеивает движущиеся электроны.
«Когда электроны проходят через этот регион, они могут обмениваться квантами энергии со светом — поглощая или испуская фотоны, — что приводит к небольшим сдвигам их энергий», — объяснил доктор Валерио Ди Джулио, учёный, разработавший теоретические основы исследования. «Поскольку количество обмениваемых квантов зависит от интенсивности света, регулируя время между лазерным и электронными импульсами, мы могли определить, когда электроны были затронуты светом. Эти зависящие от времени сдвиги энергии фактически обеспечивают короткие временные срезы распределения электронов».
Используя этот подход, исследователи смогли реконструировать порядок пар электронов как во времени, так и по энергии. Иными словами, они смогли точно сопоставить, как электроны вместе достигают плоскости образца, в виде коррелированной пары.
«Мы смогли напрямую отобразить полное распределение электронов в фазовом пространстве двухэлектронных импульсов, впервые раскрыв, как несколько свободных электронов совместно эволюционируют во времени и энергии», — сказал Хайндл. «Это дало подробную картину их коррелированного движения».
Другой фундаментальный результат касается нашей способности измерять время с точностью, достигающей аттосекундного режима.
Команда обнаружила, что, когда один и тот же лазерный импульс взаимодействует с обоими испускаемыми электронами, рассеянные энергии электронов становятся напрямую связанными с быстрыми колебаниями электрического поля лазера. Используя эту взаимосвязь, они смогли определить относительное время этих колебаний, просто выбрав конечные кинетические энергии электронов.
«Наши теоретические предсказания предполагают, что этот эффект можно использовать для когерентного управления фазой возбуждения и вероятностью квантовых систем», — сказал доктор Ди Джулио.
В целом эксперименты, проведённые Хайндлом и его коллегами, показали, что продольное фазовое пространство испускаемых пар электронов имеет бимодальную (то есть двухлопастную) структуру. Один из этих режимов возникает из-за отталкивания между двумя электронами, а другой — из-за их дисперсии.
«В ходе разработки этого исследования мы также рассматривали возможность запутанности между энергетическими компонентами электронов, но мы обнаружили, что наблюдаемые корреляции имеют скорее классическое, чем квантовое происхождение», — сказал доктор Ди Джулио. «Признание этого различия важно, поскольку в будущих работах может потребоваться изучение многоэлектронных состояний с заданными квантовыми характеристиками».
Эта недавняя работа вскоре может открыть новые возможности для разработки механизмов возбуждения и квантовых состояний с несколькими электронами. В будущем эти сконструированные состояния могут быть использованы для разработки сверхбыстрых систем визуализации и различных квантовых технологий.