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我不是用来在科幻片里打电话的:光场散射电子产生的新型全息术
时间:2019-08-06 14:35:47来源:Nature自然科研
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提要:被光散射的电子之间发生的量子干涉可以用于生成电磁场的全息图,这有望带来在高时空分辨率下研究材料的新方法。
我不是用来在科幻片里打电话的:光场散射电子产生的新型全息术

  如果你问人们全息图是什么,他们可能会想到在科幻电影中才有的3D光线投影,例如1977年电影《星球大战》中莱娅公主漂浮在空中的场景。这样的投影技术正在走进现实【1】,但是全息技术最初的科学目标其实听起来很平凡:记录被称为相位的波场特性,它定义了在给定时刻行波波峰和波谷的模式。

  对于许多物理学家来说,这个概念和科幻作品当中的全息术一样令人兴奋。Madan等人在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表论文,报告了由光场散射电子而产生的新型全息技术。这一发现不仅扩大了电子全息术的应用范围,而且还允许同时确定电磁(光)波的幅度和相位信息。

  全息术是一种在电子显微镜中广泛使用的测量技术,基于电子的波动特性【3】。在该技术中,一束电子束被分成两部分,然后重叠产生条纹干涉图案(也即全息图)。两部分光束的相位差可以从该图案中提取出来。因为电场和磁场可以影响通过其间的电子束的相位,所以电子显微镜中的全息技术能以极高的空间分辨率来测量电磁场,最高能达到纳米级的分辨率。

  但是在这篇论文中,Madan等人想要测量振荡光波的相位。为此,他们开发了一种新的全息技术,其原理与传统电子显微镜的原理截然不同:通过振荡光场,调制电子之间的量子干涉。让我们接下来讨论一下该实验中电子与光相互作用的物理机制。

  如果一束快速运动的电子流穿过振荡的电磁场,一些电子会加速,另一些则会减速,这取决于它们何时进入和离开电磁场区域。通过测量穿过电磁场的电子速度分布就能发现电子吸收或失去的能量是量子化的,正好是光场中光子能量的整数倍【4,5】。该效应的显著程度随着光强度的增加而增加,这也是该文提出的光子诱导近场电子显微镜(PINEM,photon-induced near-field electron microscopy)技术的基础,该技术可以测量纳米粒子和其他微结构周围的光强度【6】。

  为了在PINEM实验中测量光波的相位,必须产生某种形式的干涉。Madan等人采用PINEM技术测量了具有不同几何形状的样品,让电子与多个光波相互作用从而产生这种干涉。一部分实验涉及到让电子依次飞过两个在空间上隔开的光场。如前所述【7】,这两个光场的相对相位决定了电子和光相互作用的强度:同相的光场可以通过相长干涉增强相互作用,而反相的两个场可以相互抵消。

  在该论文里最引人注目的实验当中,Madan等人通过照射金属薄膜中的一个开孔而产生一种被称为表面等离激元(SPPs, surface plasmon polaritons)的波,它们可以认为是束缚在金属表面的光场(图1)。电子束通过这些表面等离激元并与之发生相互作用,除此之外电子束还和薄膜另一侧的电磁场发生相互作用。之后电子束会产生螺旋状的干涉图案,其上记录了薄膜上每个位置处光场的相对相位,因此这些干涉图案包含全息信息。当作者倾斜薄膜时,螺旋也相应变形,对应了表面等离激元不同的传播方向,这就好比救护车警报器的声音随着接近或者远离而发生变化。

  图一 | 电子-光干涉效应示意图。Madan等人【2】展示了由光场散射电子产生的新型全息技术。在他们的一个实验中,光照射一片开孔的金属膜,产生被称为表面等离激元的波(束缚在金属表面的光场)。在薄膜的另一侧会产生不同的光场图案(由条纹表示)。当电子束穿过薄膜时,它依次与两侧的场相互作用,产生螺旋状干涉图案。该图案记录了薄膜上每个位置处光场的相对相位信息(波峰和波谷的模式),因此包含全息信息。

  在先前的工作【8】中也发现了类似的干涉图案,它们来源于光场导致的电子场发射效应,但本文所述论文中的实验与先前工作之间在概念上存在关键差异。具体来说,当前研究中的一些全息图来自电子束的量子力学干涉,而不是来自交叉光波之间的干涉。值得注意的是,在Madan及其同事的研究当中,电子作为媒介实际上促成了在空间上不重叠的光波之间的干涉。换句话说,光学相位信息在一个位置存入电子,然后在另一个位置由第二个光场“读出”。

  利用电子传输光学相位信息的能力很有可能在电子显微镜及其他领域开辟出各种新的应用。例如,可以使用这种相位信息来测量嵌入固体中的单个或复合量子光发射器(quantum light emitters)的光学响应,例如晶体中的单个原子、分子或点缺陷。我们还能让电子与更复杂的激光脉冲序列相互作用,并且加入多种颜色的光,这可能发展出全新的电子光谱学技术。通过光诱导的方法调制电子束的时间结构【9-11】,Madan及其同事的全息技术可以用来研究材料在比一个光波周期更短的时间尺度(阿秒级)上的行为,并且达到电子显微镜的空间分辨率。

  我们还不清楚这些新发现是否可以带来更加先进的应用,比如使用电子束作为量子通信系统的一部分,甚至是量子计算。这些技术可能需要多个自由电子彼此之间的受控耦合或量子关联,但是到目前为止这两项技术都还没有实现。即便如此,Madan及其同事的工作的确代表了光控电子领域令人兴奋的进步。

 

参考文献:

1. Smalley, D. E. et al. Nature 553, 486–490 (2018).

2. Madan, I. et al. Sci. Adv. 5, eaav8358 (2019).

3. Lichte, H. & Lehmann, M. Rep. Prog. Phys. 71, 016102 (2008).

4. García de Abajo, F. J., Asenjo-Garcia, A. & Kociak, M. Nano Lett. 10, 1859–1863 (2010).

5. Park, S. T., Lin, M. & Zewail, A. H. New J. Phys. 12, 123028 (2010).

6. Barwick, B., Flannigan, D. J. & Zewail, A. H. Nature462, 902–906 (2009).

7. Echternkamp, K. E., Feist, A., Schäfer, S. & Ropers, C. Nature Phys.12, 1000–1004 (2016).

8. Spektor, G. et al. Science 355, 1187–1191 (2017).

9. Priebe, K. E. et al. Nature Photon.11, 793–797 (2017).

10. Kozák, M., Schönenberger, N. & Hommelhoff, P. Phys. Rev. Lett. 120, 103203 (2018).

11. Morimoto, Y. & Baum, P. Nature Phys. 14, 252–256 (2018).

 

原文以Holograms from electrons scattered by light为标题发布在2019年7月3日《自然》新闻与观点上。

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作者系原文作者:Claus Ropers

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