Nghiên cứu tiết lộ bản chất lượng tử của tương tác giữa các photon và các electron tự do

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã biết là có thể miêu tả ánh sáng một cách đồng thời như sóng và hạt. Tính “đối ngẫu” hấp dẫn này của ánh sáng tùy thuộc vào bản chất cổ điển và lượng tử của các kích thích điện từ, các quá trình diễn ra trong các điện từ trường.

Ido Kaminer và các thành viên trong nhóm nghiên cứu. Nguồn: Technion 

Tuy nhiên, trong tất cả các thực nghiệm mà ánh sáng tương tác với các electron tự do, đều được miêu tả như sóng. Các nhà nghiên cứu tại Technion – Viện nghiên cứu công nghệ Israel, gần đây đã thu thập được bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy bản chất lượng tử của tương tác giữa các photon và các electron tự do. Phát hiện của họ, xuất bản trên Science, có thể có những chỉ dấu quan trọng cho các nghiên cứu trong tương lai về các photon và tương tác của chúng với các electron tự do ¹.

“Ý tưởng cho nghiên cứu của chúng tôi đầu tiên đến từ hai năm trước, sau khi khám phá thực nghiệm của chúng tôi về sự tương tác giữa một electron và ánh sáng có thể lưu giữ được sự nhất quán của chúng qua các khoảng cách gấp 100 lần chu kỳ quang học”, Raphael Dahan, Alexey Gorlach và Ido Kaminer, ba nhz\à nghiên cứu chính của nghiên cứu này, trao đổi với Phys.org qua email ². “Trong khoảng thời gian này, hai công trình lý thuyết quan trọng đã được thực hiện, cả hai đều khám phá cách các đặc tính lượng tử của ánh sáng làm thay đổi tương tác với các electron”.

Cả hai nghiên cứu về lý thuyết đó, một do Ofer Kfir tại trường đại học Göttingen và một do Javier García de Abajo và đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu de Ciències Fotòniques (ICFO), dự đoán một dạng tương tác cơ bản mới xuất hiện giữa ánh sáng và các electron tự do, tiết lộ các đặc tính lượng tử của ánh sáng ³. Bị những dự đoán quan trọng đó thu hút, Kaminer, Dahan, Gorlach và các đồng nghiệp của họ đã bắt đầu tìm kiếm một hệ trong đó họ có thể điều tra về tương tác này bằng thực nghiệm. Cụ thể hơn, các nhà nghiên cứu muốn thực hiện thực nghiệm về các thống kê lượng tử của ánh sáng có thể làm thay đổi tương tác electron – ánh sáng.

“Điều này dẫn chúng tôi việc tìm kiếm hai hợp phần quan trọng”, Kaminer, Dahan và Gorlach cùng giải thích. “Đầu tiên là một thiết bị sẽ kết cặp tốt hơn giữa electron và ánh sáng, thứ hai là một nguồn photon sẽ tạo ra một ánh sáng lượng tử với mật độ cao nhất có thể”.

Để đạt được hiệu quả kết cặp lớn hơn, các nhà nghiên cứu tham khảo ý kiến của các thành viên thuộc cộng đồng nghiên cứu máy gia tốc trên chip (ACHIP), vốn nhằm mục tiêu đạt được sự gia tốc compact bằng việc sử dụng các chùm tia laser và tích hợp nó trên chip. Sau một loạt các tính toán, nhóm nghiên cứu tìm ra hiệu suất kết cặp có thể được tăng cường tới hàng trăm lần so với những kết quả của những thí nghiệm trước đây.

“Đầu tiên chúng tôi hợp tác với một nhóm nghiên cứu ở Stanford (Solgaard, England, Leedle, Byer, và các học viên của họ) – họ thiết kế và cung cấp cho chúng tôi một cấu trúc ACHIP cho thử nghiệm đầu tiên”, Kaminer, Dahan và Gorlach cho biết. “Tại thực nghiệm đầu tiên sử ụng một chip silicon-photonic bên trong một kính hiển vi điện tử truyền qua, và lập tức có những gợi ý rất thu hút, dẫn đến kết quả trong một bài báo khác sẽ xuất hiện nhanh chóng trên PRX của Yuval Adiv và cộng sự”.

Sau đó, Kaminer và đồng nghiệp bắt đầu hợp tác với một nhóm khác trong cộng đồng ACHIP, một nhóm do Peter Hommelhoff tại Erlangen, Đức, dẫn dắt. Nhóm nghiên cứu này cung cấp những cấu trúc ACHIP tốt nhất thế giới cho Kaminer để thực hiện thực nghiệm phức tạp của họ.

Để tạo ra ánh sáng lượng tử mạnh, các nhà nghiên cứu đã làm việc cùng với nhóm Eisenstein tại Technion. Nhóm này cho phép họ sử dụng một khuếch đại quang học đặc biệt: một thiết bị có thể thay đổi thống kê photon lượng tử của ánh sáng từ một phân phối Poisson thành một phân phối siêu Poisson.

“Nghiên cứu của chúng tôi giống như một cuộc hành trình”, Dahan nói. “Với việc kết hợp tất cả những yếu tố khác biệt đó và thông qua một thực nghiệm nhiều thích thức bằng việc sử dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua siêu nhanh, chúng tôi đã đạt được mục tiêu ban đầu của mình: thể hiện tương tác đầu tiên giữa một electron tự do và ánh sáng với những đặc tính lượng tử khác nhau”.

Kaminer và đồng nghiệp của mình cuối cùng đã có thể tiết lộ được bản chất lượng tử của tương tác giữa các photon và các electron tự do bằng việc thay đổi một cách liên tục thống kê photon trong thực nghiệm của mình và chứng tỏ cách phổ năng lượng của electron thay đổi để phản hồi hành động đó. Sự thay đổi trong thống kê photon mà họ quan sát biến thiên phụ thuộc vào cường độ của việc chiếu laser từ thiết bị khuếch đại quang học.

Tương tác ban đầu mà các nhà khoa học khám phá là một trong những tương tác, bao gồm ánh sáng đầu vào và các electron tự do. Trong thí nghiệm này, các electron hành xử như các máy dò trạng thái ánh sáng. Do đó, bằng việc đo đạc mức năng lượng của nó, các nhà nghiên cứu có thể tách ra được thông tin lượng tử về ánh sáng.

Các đo đạc electron có thể chỉ được giải thích bằng lượng tử hóa của cả electron và ánh sáng, như các bài báo lý thuyết dự đoán. “Chỉ khi áp dụng lý thuyết mới này thì các đo đạc của chúng tôi mới được giải thích tốt”, Kaminer nói. “Từ một tầm nhìn cơ bản, phát hiện chính trong nghiên cứu của chúng tôi là; tương tác giữa ánh sáng lượng  tử và một electron tự do, sự đột sinh của rối [lượng t] trong tương tác này và trong nguyên lý  phản hồi lượng tử – cổ điển. Nguyên lý này chứng tỏ hiệu ứng của một bước đi lượng tử gây ra bởi electron và sự chuyển đổi của nó thành một bước đi ngẫu nhiên”.

Bằng chứng thực nghiệm này có thể gợi ý về việc phát triển rất nhiều công nghệ mới, bao gồm các công cụ hình ảnh không phá hủy và không xâm lấn để đạt được những hình ảnh có độ phân giải cao.

“Đầu tiên, chúng tôi chứng tỏ có thể sử dụng các electron tự do để đo đạc thống kê photon lượng tử của ánh sáng”, Kaminer, Dahan và Gorlach cho biết. “Có những bước tiến như các phép đo đạc có thể đạt được trong tương lai, ví dụ, hình thành công cụ hình ảnh không phá hủy, có độ phân giải cao về thời gian và đạt được trong trường gần với độ phân giải không gian cao”.

Công trình của Kaminer và đồng nghiệp chứng tỏ là có thể định hình tạm thời các electron bằng việc sử dụng ánh sáng sóng liên tục (CW). Kết quả này có thể tăng cường tự tích hợp các chip silicon-photonic vào kính hiển vi điện tử để nâng cao các năng lực của kính hiển vi điện tử, ví dụ, để đưa độ phân giải thời gian ở mức atto giây vào kính hiển vi ở dạng tiên tiến bậc nhất mà không làm ảnh hưởng đến độ phân giải trong không gian của chúng.

“Hiện tại chúng tôi đang lên kế hoạch tiếp tục công việc của mình theo hai hướng nghiên cứu chính”, Kaminer, Dahan và Gorlach nói. “Thứ nhất là tìm hiểu theo hướng chụp cắt lớp trạng thái lượng tử đầy đủ của các trường gần photon, như nén ánh sáng trên chip mà không cần phải loại bỏ sự kết cặp của ánh sáng. Một hướng khác là chúng tôi đang tìm hiểu việc tạo ra ánh sáng lượng tử bằng các electron định hình gắn kết với sự dẫn dắt của một công trình lý thuyết chúng tôi mới xuất bản gần đây”.

Anh Vũ tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-09-unveils-quantum-nature-interaction-photons.html

————————————–

1. Công bố ‘Imprinting the quantum statistics of photons on free electrons”. http://dx.doi.org/10.1126/science.abj7128

2. https://phys.org/news/2020-11-phase-matching-electron.html

3. Công bố “Entanglements of Electrons and Cavity Photons in the Strong-Coupling Regime”. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.103602

và công bố “Probing quantum optical excitations with fast electrons”, Optica (2019) https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-6-12-1524&id=424579