量子显微镜帮助第一次真正看到光被纳米材料捕获时的动态

量子领域重大突破！量子显微镜可观察纳米材料捕光过程；“这是我们第一次真正看到光被纳米材料捕获时的动态，而不是依靠计算机模拟。”

今年 6 月，一篇题为 “Coherent interaction between free electrons and a photonic cavity”《自由电子与光子腔之间的相干相互作用》的论文发表在 Nature 上，该文第一作者王康鹏（Kangpeng Wang）对其团队的最新研究成果作出如上描述。

据了解，王康鹏是通过一种记录光流的四维（4D）电子显微镜实现 “首次真正看到光被纳米材料捕获” 的，这台显微镜可以直接观察光子晶体内捕获的光，也称量子显微镜（quantum microscope），由以色列理工学院教授伊多卡米纳（Ido Kaminer）及其研究团队开发。

据卡米纳介绍，使用这台显微镜，可以改变照亮任何纳米材料样本的光的颜色和角度，并匹配出它们的电子相互作用，正如在光子晶体中所展示的那样。对于不同颜色的光，光子晶体会以不同的模式进行捕获，且这一过程能够通过量子显微镜看到。

卡米纳团队这一研究成果或将有助于设计新的量子材料以存储具有高稳定性的量子比特、提高手机以及其他类型屏幕的分辨率和色彩对比度等，卡米纳说，“一旦我们研究更先进的纳米 / 量子材料，它将产生更大的影响。”

“第一次” 总是令人激动且意义非凡的，卡米纳团队的 “第一次看到” 实为量子领域一大突破。

卡米纳团队开发的电子显微镜，用于观察多维研究纳米级成像和光子腔 - 自由电子的相互作用。观察电子光谱的拉比震荡可以证实，利用电子的量子特性，该量子显微镜能够获得记录的近场光学图。

可以将该电子显微镜视为一个飞秒泵浦探针装置，能够使用光脉冲激发样品，用电子脉冲探测样品的瞬态，实现电子脉冲穿透样品并对其成像。

虽然早有多种理论预测自由电子能够激发新的空腔效应，但是由于相互作用的强度和持续时间的基本限制，以前对于自由电子并没有观察到光子空腔效应。

这也是卡米纳团队此次研究最大的突破所在，实现多维纳米成像，为超快自由电子 - 光相互作用的研究进展引入一种新型量子物质 —— 量子自由电子 “波包”，它不受固定能量状态、光谱范围和选择规则的限制。

此前量子电动力学（QED）已经研究了量子物质与光的腔模之间的相互作用，这对于构成量子技术基础结构的基础物理学的发展至关重要。更有效的自由电子 - 空腔 - 光子相互作用可以实现强耦合、光子量子态合成和新颖的量子非线性现象。电子显微镜和自由电子物理学的其他领域可以从与光子腔的融合中获得，从而实现对软物质或其他对射线敏感的材料进行低剂量、超快电子显微镜检查。