La visione del microscopio più potente al mondo

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La visione del microscopio

La scienza quantistica oggi, si basa sulla visione del microscopio più potente al mondo, unico nel suo genere che ne consente una scoperta senza precedenti.

Il professore di Technion Ido Kaminer e il suo team ha compiuto un importante passo avanti nel campo della scienza quantistica: un microscopio quantistico che registra il flusso di luce, consentendo l’osservazione diretta della luce intrappolata all’interno di un cristallo fotonico.

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La ricerca, “Coherent Interaction Between Free Electrons and a Photonic Cavity“, è stata pubblicata su Nature . E tutti gli esperimenti sono stati condotti utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce presso il Technion-Israel Institute of Technology. Il microscopio è l’ultimo e il più versatile di una manciata che esiste nel mondo scientifico.

Scienza quantistica VS La visione del Microscopio più potente al mondo

Abbiamo sviluppato un microscopio elettronico che produce, per molti aspetti, la migliore microscopia ottica a campo vicino al mondo. Usando il nostro microscopio, possiamo cambiare il colore e l’angolo della luce che illumina qualsiasi campione di nano materiali e mappare il loro interazioni con gli elettroni, come abbiamo dimostrato con i cristalli fotonici “, ha spiegato il prof. Kaminer.

“Questa è la prima volta che possiamo effettivamente vedere la dinamica della luce mentre è intrappolata in nano materiali, piuttosto che fare affidamento su simulazioni al computer “, ha aggiunto il dott. Kangpeng Wang, postdoc del gruppo e primo autore del documento.

Tutti gli esperimenti sono stati condotti sul microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce, nel laboratorio di dinamica quantistica a fascio di elettroni Robert e Ruth diretto dal Prof. Kaminer.

Personaggio di rilievo della facoltà di ingegneria elettrica Andrew ed Erna Viterbi e del Solid State Institute, e affiliato con il Helen Diller Quantum Center e il Russell Berrie Nanotechology Institute.

 Il team di ricerca comprende anche: Dr. Kangpeng Wang, Raphael Dahan, Michael Shentcis, Dr. Yaron Kauffmann, Adi Ben-Hayun, Ori Reinhardt e Shai Tsesses.

Applicazioni di vasta portata

È probabile che questa svolta abbia un impatto su numerose potenziali applicazioni, tra cui la progettazione di nuovi materiali quantici per la memorizzazione di bit quantici con maggiore stabilità.

Allo stesso modo, può aiutare a migliorare la nitidezza dei colori sui telefoni cellulari e altri tipi di schermi.

Avrà un impatto ancora più ampio una volta che avremo studiato materiali nano / quantistici più avanzati. Abbiamo un microscopio ad altissima risoluzione e stiamo iniziando a esplorare le fasi successive“; ha spiegato il prof. Kaminer.

Ad esempio, gli schermi più avanzati al mondo oggi utilizzano la tecnologia QLED basata su punti quantici, rendendo possibile controllare il contrasto di colore a una definizione molto più elevata. La sfida è come migliorare la qualità di questi piccoli punti quantici su grandi superfici e renderli più uniformi. Ciò migliorerà la risoluzione dello schermo e il contrasto dei colori anche più di quanto consentano le attuali tecnologie. “

Un nuovo tipo di materia quantistica

Il microscopio elettronico a trasmissione ultraveloce nel laboratorio AdQuanta del Prof. Kaminer, ha una tensione di accelerazione che varia da 40 kV a 200 kV (accelera gli elettroni al 30-70% della velocità della luce); e un sistema laser con impulsi al 100 ° femtosecondi a 40 Watt.

La visione del microscopio a trasmissione elettronica ultraveloce è una configurazione con sonda a pompa al femtosecondo che utilizza impulsi di luce per eccitare il campione e impulsi di elettroni per sondare lo stato transitorio del campione.

Questi impulsi elettronici penetrano nel campione e lo immaginano. L’inclusione di capacità multidimensionali in una configurazione, è estremamente utile per la completa caratterizzazione di oggetti su scala nanometrica.

Al centro della svolta risiede il fatto che i progressi nella ricerca di interazioni ultraveloci di elettroni liberi-luce, hanno introdotto un nuovo tipo di materia quantistica.

Ovvero i “pacchetti d’onda” di elettroni liberi quantici. In passato, l’elettrodinamica quantistica (QED) ha studiato l’interazione della materia quantistica con i modi di cavità della luce; che è stata cruciale nello sviluppo della fisica sottostante che costituisce l’infrastruttura delle tecnologie quantistiche.

Tuttavia, tutti gli esperimenti finora si sono concentrati solo sulla luce che interagisce con i sistemi di elettroni rilegati – come atomi, punti quantici e circuiti quantistici – che sono significativamente limitati nei loro stati di energia fissa, intervallo spettrale e regole di selezione.

I pacchetti d’onda quantici a elettroni liberi, tuttavia, non hanno tali limiti, a causa di quelli fondamentali sulla forza e la durata dell’interazione.

La visione del microscopio, osservazioni conclusive

Il Prof. Kaminer e il suo team hanno sviluppato una piattaforma sperimentale per lo studio multidimensionale delle interazioni di elettroni liberi con i fotoni su nanoscala.

Il loro microscopio esclusivo,  ha ottenuto la registrazione di mappe ottiche vicino al campo, utilizzando la natura quantistica degli elettroni; che sono stati verificati osservando le oscillazioni di Rabi dello spettro di elettroni che non possono essere spiegate dalla pura teoria classica.

Interazioni elettrone-cavità-fotone più efficienti, potrebbero consentire un forte accoppiamento, sintesi dello stato quantico dei fotoni e nuovi fenomeni quantistici non lineari.

 Il campo della microscopia elettronica e ulteriori aree della fisica dell’elettrone libero, possono trarre vantaggio dalla fusione con cavità fotoniche;  consentendo microscopia elettronica a basso dosaggio e ultraveloce di materia morbida o altri materiali sensibili al fascio.

Il prof. Kaminer spera che il microscopio porterà alla più ampia comunità Technion in altri campi di ricerca. “Vorrei coltivare la collaborazione interdisciplinare“. Conclude.

Nota: l’immagine in evidenza appartiene rispettivamente al sito https://www.swissquantumhub.com/