2019-05-15 21:40:02
利用电子光量子干涉的电磁场全息成像

在传统的全息术中,摄影胶片可以用未散射光的参考光束记录从待成像物体散射的单色光的干涉图案。然后,科学家可以用参考光束的复制品照亮显影的图像,以创建原始物体的虚像。全息学最初是由物理学家丹尼斯·加博尔于1948年提出的,用于提高电子显微镜的分辨率,使用光学光学器件进行演示。可以通过将信号与已知参考叠加来捕获信号的相位和幅度分布来形成全息图。最初的概念之后是电子全息术,在激光发明之后,光学全息术成为三维成像宏观物体,信息加密和显微镜成像的流行技术。

然而,将全息图扩展到超快域目前仍然是电子的挑战,尽管开发该技术将允许最高可能的组合时空分辨率用于凝聚态物理中的高级成像应用。在最近发表在Science Advances上的一项研究中,Ivan Madan和瑞士,英国和西班牙超快显微镜和电子散射,物理,科学和技术部门的跨学科研究团队详细介绍了使用局部电磁场开发全息图的过程。 。科学家们在超快透射电子显微镜(UEM)中获得了具有阿秒/纳米分辨率组合的电磁全息图。

在新方法中,科学家依靠电磁场在不同能量状态的量子相干叠加中分离电子波函数。该技术偏离了传统方法,其中感兴趣的信号和参考信号在空间上分离并重新组合以重建感兴趣的信号的幅度和相位,以随后形成全息图。该原理可以扩展到涉及能够经受干扰的周期性信号的任何类型的检测配置,包括声波,X射线或飞秒脉冲波形。

全息术研究的进一步发展导致了时间分辨光学全息术,在飞秒体系中成功实现了时间分辨光电子能谱(tr-PEEM)中增强的空间分辨率。由于最近使用飞秒激光器产生超快电子脉冲的超快透射电子显微镜的发展,达到超快速域也成为现实。这些发展使得能够以几百飞秒的分辨率实时拍摄集体电子模式,应变场和磁性纹理。

在新的工作中,Madan等人。在超快透射电子显微镜(UEM)中展示了一种时域全息成像技术。他们的技术基于电子波包与多个光场的量子相干相互作用。为了说明这种方法,Madan等人。在等离子体结构中捕获阿秒/纳米分辨的相位敏感电影,快速演变的电磁场。科学家们在研究中实现了两种关键的实验方法,即并行获取通用电子态的量子相干性。这项工作将与进一步的电子量子光学应用相关。

作为全息UEM的简单实现,科学家们将两个场的局部干涉基于两个传播的表面等离子体激元(SPP)(即沿着金属的自由电子的集体振荡波)。他们使用常规光子诱导的近场电子显微镜(PINEM)描述了电子脉冲与单个SPP的相互作用机制,然后比较检查了通过局部全息PINEM中两个SPP之间的干涉产生的全息图。在传统的PINEM期间,电子可以非弹性地吸收或发射光子能量子并过滤非弹性散射的电子,以允许形成等离子体场的真实空间图像。

为了实现全息PINEM概念,Madan等人。使用由两个垂直狭缝组成的实验纳米结构,由通过镓(Ga)离子研磨制造的银(Ag)膜沉积在氮化硅膜(Si3N4)上。他们在改进的透射电子显微镜中进行了实验。在这项工作中,科学家们使用第二个SPP波作为参考,并且当两个波在空间和时间上重叠时,用感兴趣的SPP创建干涉图案以形成全息图。科学家通过能量过滤非弹性散射电子观察了2个SPP形成的全息图,其相对脉冲延迟为-77,-20,0和22飞秒。

Madan等人。利用量子梯的不同能量状态之间的相干性来推广全息方法,其中电子波函数在与光相互作用时分裂。由于电子携带有关光场幅度和相位的信息,即使在完成相互作用之后,科学家也利用这一事实来实现量子全息术。在实验中,他们利用来自电子透明光学镜的光束反射产生的半无限光场,以创建与材料无关的参考场。该设置允许几乎恒定的空间幅度和相位,以为研究中的全息术准备最佳参考场。

在这项研究的背景下,电子态的量子相干性并不是指电子之间的相干性,而是指电子平面波的单色性(奇异性)和相位稳定性的量度。 Madan等人。使用该术语来确定电子是否处于环境中的纯态或纠缠态。因此,在量子意义上,不同能量状态之间的相位由时间演化算子确定而不是随机的。

然后,科学家重建了围绕三维粒子或纳米结构的复杂电场分布。他们表明,局部等离子体全息术和空间分离量子全息术的数学等价性使得记录的全息图能够以相同的传播驻波形式进行处理。 Madan等人。因此,通过记录由从银镜反射的光的倾斜波前形成的全息图和从雕刻在银层中的孔发射的等离子体激元波来观察这种效果。得到的图案表现出一种周期性,这种周期性从未被截止的全息图中自然消失。

使用模型计算,Madan等。区分高度相干(纯)和完全非相干(完全混合)的电子分布。为此,他们模拟了例如使用固体靶的UV照射产生的光电子的密度矩阵。然后,他们协调电子态以在实验装置中与行进的等离子体激元相互作用。通过观察电子能量分布,科学家们能够确定光电子中是否存在部分相干性。基于观察,他们提出了UEM全息成像的进一步扩展,以实际实现量子全息UEM。科学家们设想利用这种技术研究潜在的感兴趣对象,如原子极化率,激子,声子,希格斯以及未来凝聚态物质系统中的其他集体和准粒子激发。

目前的工作提供了足够的信息来重建未知电子状态的完整密度矩阵,类似于先前使用阿秒脉冲序列进行量子态重建的方法。但与以前的工作不同,该方法还可以使用控制良好的SPP场来并行实现多个投影测量。

就这样,Madan等人。展示了基于超快透射电子显微镜(UEM)的局部和空间分离的全息方法。科学家表明,该技术的非局部特征允许完全解耦参考和探测场,这在以前不可能用近场光学或光电子显微镜技术。这项工作提供了一个独特的视角,在透射显微镜内实现原子和亚飞秒的组合分辨率。该方法将允许电子量子态中的相干性的空间分辨检测方法,其具有电子量子全息术和其他应用的巨大潜力。

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