[论文解读] 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 25

一句话总结

本文提出了一种基于超快透射电子显微镜（UEM）中超短电子脉冲的量子干涉的超快全息技术。通过利用电磁场相干地将电子波函数分裂为叠加的能级态，该方法实现了通过能量过滤检测空间调制的电子能量分布，从而实现对局域电磁场的阿秒-纳米分辨率成像，标志着电子显微学在量子极限时空分辨率上的重大突破。

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.

研究动机与目标

• 通过实现动态电磁场的阿秒/纳米分辨率成像，克服传统全息术在超快时间域中的局限性。
• 开发一种利用处于叠加态的电子波函数实现空间与时间分辨的量子测量方法。
• 利用基于电子的全息术，实现对超快电磁场振幅与相位的高保真度重建。
• 通过将超快电子显微术与量子干涉原理相结合，展示电子量子光学的新范式。

提出的方法

• 利用超快透射电子显微镜（UEM）中产生的超短电子脉冲探测动态电磁场。
• 利用电磁场将电子波函数相干分裂为叠加的能级态，形成量子干涉图样。
• 依赖能量过滤的UEM，将电子能量分布中的空间调制映射出来，这些调制编码了参考场与信号场之间的相位关系。
• 应用量子干涉原理生成全息图，无需像传统全息术那样分离信号光束与参考光束。
• 利用能量域中的干涉图样，高精度地重建局域电磁场的相位与振幅。
• 通过定制的电子-场相互作用，实现并行、空间分辨且光学可控的量子测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 超短电子的量子干涉能否实现具有阿秒-纳米时空分辨率的全息成像？
• RQ2 如何利用电磁场将电子波函数相干分裂为叠加的能级态，以实现全息检测？
• RQ3 能量过滤的UEM在多大程度上可通过干涉图样解析超快电磁场的相位变化？
• RQ4 该方法能否在传统极限之外实现对动态场的振幅与相位的同步重建？
• RQ5 该方法对实现电子量子光学中空间分辨的量子测量具有何种意义？

主要发现

• 该方法在局域电磁场成像中实现了阿秒与纳米分辨率的联合突破，超越了传统极限。
• 图像平面上电子能量分布的空间调制直接反映了参考场与信号场之间的相位关系。
• 全息图通过电磁场分裂的电子波函数的量子干涉形成，无需光束的空间分离。
• 能量过滤的UEM可直接映射干涉图样，从而实现对超快场振幅与相位的重建。
• 该技术实现了并行、空间分辨且光学可控的量子测量，为电子量子光学开辟了新途径。
• 该方法在UEM实验装置中得到验证，证明了其在具有量子相干性的超快电子全息术中的可行性。