Doorbraak holografie gebruikt elektronen om nanoschaalobjecten te visualiseren buiten lichtgrenzen

• Onderzoekers gebruiken vrij voortplantende elektronen om te zien hoe licht zich gedraagt buiten de beperkingen van golflengte.
• Ze wisten een nieuwe holografische methode te ontwikkelen die nanoschaalobjecten vastlegt.
• Het kan nieuwe deuren openen voor kwantumberekening.

Het concept van het hologram werd voor het eerst ontdekt in 1948, maar wetenschappers weren niet in staat om hologrammen te creëren tot de uitvinding van een geschikte lichtbron, de laser, in 1960. Sindsdien heeft holografie zich snel uitgebreid, zowel in display- als wetenschappelijke beeldvormingsvelden.

Optische holografie is nu een populaire methode voor 3D-beeldvorming van macroscopische materialen en beveiligingstoepassingen. De ruimtelijke resolutie van deze methode is echter beperkt door de lichtgolflengte (1 micrometer). Daardoor kan het niet gebruikt worden voor het visualiseren van kleinere (nanoschaal) objecten.

Onlangs bedachten onderzoekers van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie een techniek die hen helpt observeren hoe licht zich gedraagt buiten de beperkingen van golflengte (op nanometerschaal). Ze gebruikten een vreemd fotografisch medium – vrij voortplantende elektronen.

Elektronen interacteren met licht

De richting van licht en vrije elektronen is een cruciale parameter omdat het, in tegenstelling tot conventionele fotografie, gevoelig is voor de fase van licht. Na interactie met licht, bestaan de elektronen in superpositietoestanden met verschillende energieniveaus.

Referentie: Science Advances | DOI:10.1126/sciadv.aav8358 | EPFL

Als deze elektronen interacteren met een andere laserpuls, veranderen hun toestanden snel op basis van de kleinste vertraging tussen de twee, wat heel andere energiedistributies vertoont. Onderzoekers bouwen een kaart van energiedistributies om de positie van licht op een gegeven moment nauwkeurig te bepalen.

Vrij voortplantende elektronen interacteren met licht en veranderen hun toestand | Credits: onderzoekers

Feitelijk gebruikten ze dit fysieke principe om een real-time film te maken van een lichtgolf die voortplant in nanoestructuren op de fijnste tijd- en ruimteresolutie.

Een weg voor kwantumberekening

Om de elektronen-referentie- en elektronen-beeldvormingsstralen in energie te isoleren, gebruikten onderzoekers de kwantumaard van de elektronen-lichtinteractie. Dit stelde hen in staat om data te versleutelen op de elektronen-golffunctie, met behulp van lichtpulsen. Het is mogelijk om data te mappen met ultraknelle transmissie-elektronenmicroscopie.

Over het algemeen heeft deze nieuwe techniek 2 grote voordelen –

1. Beeldvorming van elektromagnetische velden met nanometer- en attosecondeprecisie in ruimte en tijd.
2. Het kan toegepast worden op kwantumberekeningstoepassingen om de kwantumkenmerken van vrije elektronen af te stemmen.

De benadering biedt de hoogste ruimtelijke resolutie dan elke andere bestaande techniek. Tot nu toe is technologie beperkt gebleven tot microscopische optische instrumenten die vrij voortplantende fotonen gebruiken.

Dit is de eerste stap om lichtapparatuur te integreren en te miniaturiseren op geïntegreerde schakelingen. De studie opent ook de mogelijkheid om beter te begrijpen hoe licht zich gedraagt in fotonische computers, nanopartikelen en atomen.