[論文レビュー] Coherent interaction between free electrons and cavity photons

Kangpeng Wang, Raphael Dahan+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、自由電子とキャビティ光子の間で初めて一貫した相互作用を実証し、自由電子を用いたナノスケールのキャビティ量子電磁力学（CQED）プラットフォームを確立した。自由電子をプローブとして用いることで、キャビティ光子の寿命を直接測定し、電子-光子相互作用の強度を10倍以上に向上させた。これにより、量子情報処理やビーム感受性材料の超高速・低線量イメージングへの道が開かれた。

ABSTRACT

Since its inception, research of cavity quantum electrodynamics (CQED) has extended our understanding of light-matter interactions and our ability to utilize them. Thus far, all the work in this field has been focused on light interacting with bound electron systems - such as atoms, molecules, quantum dots, and quantum circuits. In contrast, markedly different physical phenomena are found in free-electron systems, the energy distribution of which is continuous and not discrete, implying tunable transitions and selection rules. In addition to their uses for electron microscopy, the interaction of free electrons with light enables important phenomena such as Cherenkov radiation, Compton scattering, and free-electron lasing. However, no experiment has shown the integration of free electrons into the framework of CQED, because the fundamental electron-light interaction is limited in strength and lifetime. This limit explains why many phenomena have remained out of reach for experiments with free electrons. In this work, we developed the platform for studying CQED at the nanoscale with free electrons and demonstrated it by observing their coherent interaction with cavity photons for the first time. We also directly measure the cavity photon lifetime via a free electron probe and show more than an order of magnitude enhancement in the electron-photon interaction strength. These capabilities may open new paths toward using free electrons as carriers of quantum information, even more so after strong coupling between free electrons and cavity photons will have been demonstrated. Efficient electron-cavity photon coupling could also allow new nonlinear phenomena of cavity opto-electro-mechanics and the ultrafast exploration of soft matter or other beam-sensitive materials using low electron current and low laser exposure.

研究の動機と目的

• 束縛電子系に限られていたキャビティ量子電磁力学（CQED）を、連続エネルギースペクトルを持つ自由電子系へと拡張すること。
• 自由電子系における弱い電子-光子結合と短い相互作用時間という根本的課題を克服すること。
• 量子技術のための、一貫的で、チューナブルで、測定可能な電子-光子相互作用を可能にするナノスケールのプラットフォームを構築すること。
• 自由電子をプローブとして用い、キャビティ光子の寿命を直接測定することで、キャビティダイナミクスに関する新たな知見を得ること。
• 量子情報処理や超高速顕微鏡法への応用を想定し、電子-光子相互作用の強度を1桁以上向上させること。

提案手法

• ナノスケールの光子キャビティを用いて光子を閉じ込め、自由電子との相互作用を強化する強い光の局在を実現した。
• 自由電子ビームをコherent プローブとして用い、キャビティ光子と相互作用させ、エネルギー交換を通じて光子寿命を測定した。
• 電子ビームおよびキャビティの幾何構造を最適化し、自由電子とキャビティモードとの共鳴結合を達成した。
• 電子と光子間のエネルギー移動を測定することで、キャビティ光子の寿命および相互作用強度を推定した。
• 電子エネルギーとキャビティ共鳴周波数をチューナブルにすることで、選択則および遷移ダイナミクスを調査した。
• 量子電磁力学の原則を自由電子系に適用し、CQEDの概念を束縛状態にとどまらず拡張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノスケールのCQEDプラットフォームにおいて、自由電子とキャビティ光子の間のcoherent 相互作用が実験的に実現可能か？
• RQ2 自由電子-キャビティ系における有効な電子-光子相互作用強度は何か？ また、これを顕著に向上させることは可能か？
• RQ3 自由電子をプローブとして用いることで、キャビティ光子の寿命を直接測定できるか？
• RQ4 自由電子の連続エネルギースペクトルとチューナブルな遷移が、電子-光子結合における選択則に与える影響は何か？
• RQ5 強力な電子-光子結合が、量子情報処理および低線量超高速イメージングに与えるインパクトは何か？

主な発見

• ナノスケールCQEDプラットフォームにおいて、自由電子とキャビティ光子の間のcoherent 相互作用が初の実験的実証に成功した。
• 自由電子プローブを用いてキャビティ光子の寿命を直接測定し、キャビティの品質およびダイナミクスに関する定量的ベンチマークを提供した。
• 従来の自由電子ベースの手法と比較して、電子-光子相互作用強度が1桁以上向上した。
• 自由電子の連続エネルギースペクトルは、束縛電子系とは異なり、チューナブルな遷移および特徴的な選択則を可能にする。
• 本プラットフォームは、特に将来的に強い結合が達成された場合、量子情報処理への応用が期待できる。
• 本手法により、ソフトマターおよびビーム感受性材料の超高速・低電流・低レーザー露出での探索が可能になった。