[論文レビュー] Ultrafast holography enabled by quantum interference of ultrashort electrons

Ivan Madan, Giovanni Maria Vanacore+8 more|Figshare|Sep 27, 2018

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 48被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、超高速透過電子顕微鏡（UEM）における超短パルス電子の量子干渉を用いた画期的な超高速ホログラフィー技術を提案する。電磁場を用いて電子波動関数を位相的に重ね合わせたエネルギー状態に coherent に分割することで、空間的に変調された電子エネルギー分布のエネルギー選別検出により、局所的な電磁場をアトセカンド・ナノメーター分解能でイメージング可能となる。これは、電子顕微鏡における量子制限された時空間分解能の分野において画期的な進展をもたらす。

ABSTRACT

Holography relies on the interference between a known reference and a signal of interest to reconstruct both the amplitude and phase of that signal. Commonly performed with photons and electrons, it finds numerous applications in imaging, cryptography and arts. With electrons, the extension of holography to the ultrafast time domain remains a challenge, although it would yield the highest possible combined spatio-temporal resolution. Here, we show that holograms of local electromagnetic fields can be obtained with combined attosecond/nanometer resolution in an ultrafast transmission electron microscope (UEM). Unlike conventional holography, where the signal and the reference are spatially separated and then recombined to interfere, in our method we use electromagnetic fields to split an electron wave function in a quantum coherent superposition of different energy states. In the image plane, spatial modulation of the electron-energy distribution reflects the phase relation between reference and signal fields, which we map via energy-filtered UEM. Beyond imaging applications, this approach allows implementing optically-controlled and spatially-resolved quantum measurements in parallel, providing an efficient and versatile tool for the exploration of electron quantum optics.

研究の動機と目的

• 従来のホログラフィーの超高速時間領域における限界を克服し、動的電磁場をアトセカンド／ナノメーター分解能でイメージングすることを目的とする。
• 超位置に存在する電子波動関数を用いた空間的・時間的分解能を持つ量子測定法の開発を目的とする。
• 電子ベースのホログラフィーを用いて、超高速電磁場の振幅および位相を高精度に再構成することを目的とする。
• 超高速電子顕微鏡と量子干渉の原理を組み合わせることで、電子量子オプティクスの新しいパラダイムを提示することを目的とする。

提案手法

• 超高速透過電子顕微鏡（UEM）で生成された超短パルス電子を用いて、動的電磁場をプローブする。
• 電磁場を用いて電子波動関数を位相的に重ね合わせたエネルギー状態に coherent に分割し、量子干渉パターンを生成する。
• エネルギー選別UEMを用いて、電子エネルギー分布における空間的変調をマッピングし、参照波と信号波の間の位相差を符号化する。
• 従来のホログラフィーとは異なり、信号波と参照波を空間的に分離する必要がない、量子干渉の原理を応用してホログラムを生成する。
• エネルギー領域における干渉パターンを用いて、局所的電磁場の位相および振幅を高精度に再構成する。
• 適切に設計された電子-場の相互作用を通じて、並列的かつ空間的分解能を持ち、光学的に制御可能な量子測定を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短パルス電子の量子干渉は、アトセカンド・ナノメーター分解能を持つホログラフィックイメージングを可能にするか？
• RQ2 電磁場を用いて、ホログラフィック検出のための電子波動関数を位相的に重ね合わせたエネルギー状態に coherent に分割する方法は何か？
• RQ3 エネルギー選別UEMは、干渉パターンを通じて、超高速電磁場の位相差をどの程度解像できるか？
• RQ4 この手法は、従来の限界を超えて、動的場の同時的な振幅および位相再構成を達成できるか？
• RQ5 このアプローチは、電子量子オプティクスにおける空間的分解能を持つ量子測定の実装にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 本手法は、局所的電磁場のイメージングにおいて、アトセカンドおよびナノメーター分解能を同時に達成し、従来の限界を上回る。
• 像面上における電子エネルギー分布の空間的変調は、参照波と信号波の間の位相差を直接反映する。
• 電磁場によって分割された電子波動関数の量子干渉によってホログラムが形成され、波束を空間的に分離する必要がない。
• エネルギー選別UEMにより干渉パターンの直接マッピングが可能となり、超高速場の振幅および位相の両方の再構成が可能となる。
• 本技術は、並列的かつ空間的分解能を持ち、光学的に制御可能な量子測定を実現し、電子量子オプティクス分野における新たな道筋を開く。
• 本手法はUEM装置を用いて実験的に実証され、量子コherenの維持を伴う超高速電子ホログラフィーの実現可能性が裏付けられた。