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(Noticias de Nanowerk) Científicos de la EPFL, el Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias y la Universidad de Göttingen lograron por primera vez generar pares de electrones y fotones de manera controlada utilizando circuitos fotónicos integrados en un chip. Usando una nueva técnica, pudieron identificar con precisión las partículas involucradas. Los hallazgos del estudio amplían la caja de herramientas de la tecnología cuántica.
Computadoras más rápidas, comunicación a prueba de escuchas, sensores más allá del límite cuántico habitual: las tecnologías cuánticas tienen el potencial de revolucionar nuestras vidas, tal como lo hizo alguna vez la invención de la computadora o Internet. Expertos de todo el mundo están tratando de implementar los hallazgos de la investigación básica en tecnologías cuánticas.
Para hacer esto, a veces necesitan partículas individuales como fotones, las partículas elementales de luz, con propiedades especiales. Sin embargo, la extracción de partículas individuales es complicada y requiere procesos costosos. Varias aplicaciones ya utilizan electrones libres para generar luz, como en los tubos de rayos X.
En un nuevo estudio publicado recientemente en la revista Ciencias («pares de electrones y fotones mediados por cavidad»), los científicos del Laboratorio de Fotónica y Mediciones Cuánticas de la EPFL, el Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias (MPI-NAT) en Göttingen y la Universidad de Göttingen demuestran un método novedoso para generar cavidad Fotones con electrones libres, en forma de pares de estados. Para ello, utilizaron circuitos integrados fotónicos basados en chips en un microscopio electrónico.
Física básica de partículas en microscopios electrónicos
En el experimento, el haz de un microscopio electrónico se dirige a un chip fotónico integrado integrado que consta de un resonador de microanillo y puertos de salida de fibra óptica. Este nuevo enfoque, en el que las estructuras fotónicas fabricadas en EPFL se utilizan para experimentos de microscopio electrónico de transmisión (TEM) realizados en MPI-NAT, se estableció en un estudio reciente.
Cada vez que un electrón interactúa con el campo evanescente de vacío del resonador de anillo, se puede generar un fotón. De acuerdo con las leyes de conservación de la energía y el momento, el electrón pierde el cuanto de energía de un solo fotón. A través de esta interacción, el sistema evoluciona hacia un estado de pareja. Gracias a un método de medición recientemente desarrollado, los científicos pudieron registrar con precisión tanto la energía de los electrones como los fotones producidos al mismo tiempo y revelar los estados subyacentes del par electrón-fotón.
Futura tecnología cuántica con electrones libres
Además de la primera observación de este proceso a nivel de partículas individuales, estos resultados implementan un concepto novedoso para la generación de fotones o electrones individuales. En particular, la medición del estado del par permite fuentes de partículas anunciadas, donde la detección de una partícula señala la creación de la otra. Esto es necesario para muchas aplicaciones en tecnología cuántica y complementa el creciente conjunto de herramientas.
“El método abre fascinantes nuevas posibilidades en microscopía electrónica. En la óptica cuántica, los pares de fotones entrelazados ya mejoran la imagen. Con nuestro trabajo, estos conceptos ahora se pueden explorar con electrones”, explica Claus Ropers, director de MPI-NAT.
En el primer experimento de prueba de principio, los investigadores utilizan los pares de electrones y fotones correlacionados generados para obtener imágenes en modo fotónico, logrando una mejora del contraste de tres órdenes de magnitud. dr. Yujia Yang, postdoctorado en EPFL y coautor principal del estudio, agrega: «Creemos que nuestro trabajo tendrá un impacto significativo en el desarrollo futuro de la microscopía electrónica al aprovechar el poder de la tecnología cuántica».
Un desafío particular para la tecnología cuántica del futuro es la conexión de diferentes sistemas físicos. “Por primera vez, estamos incorporando electrones libres a la caja de herramientas de la ciencia de la información cuántica. En un sentido más amplio, el acoplamiento de electrones libres y luz mediante fotónica integrada podría allanar el camino hacia una nueva clase de tecnologías cuánticas híbridas”, dice Tobias Kippenberg, profesor de la EPFL y director del Laboratorio de Mediciones Cuánticas y Fotónicas.
El trabajo de la colaboración entre los dos equipos contribuye al campo emergente actual de la óptica cuántica de electrones libres y demuestra una poderosa plataforma experimental para espectroscopia e imagen de electrones activada por fotones y basada en eventos. “Nuestro trabajo representa un paso crucial hacia el uso de conceptos ópticos cuánticos en microscopía electrónica. Planeamos explorar más a fondo las direcciones futuras, como los estados fotónicos exóticos anunciados por electrones y la supresión de ruido en microscopía electrónica”, dice Guanhao Huang, estudiante de doctorado en EPFL y coautor principal del estudio.
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