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原文作者：Claus Ropers 被光散射的電子之間發(fā)生的量子干涉可以用于生成電磁場的全息圖，這有望帶來在高時(shí)空分辨率下研究材料的新方法。 如果你問人們?nèi)D是什么，他們可能會想到在科幻電影中才有的3D光線投影，例如1977年電影《星球大戰(zhàn)》中萊婭公主漂浮在空中的場景。這樣的投影技術(shù)正在走進(jìn)現(xiàn)實(shí)【1】，但是全息技術(shù)最初的科學(xué)目標(biāo)其實(shí)聽起來很平凡：記錄被稱為相位的波場特性，它定義了在給定時(shí)刻行波波峰和波谷的模式。 對于許多物理學(xué)家來說，這個(gè)概念和科幻作品當(dāng)中的全息術(shù)一樣令人興奮。Madan等人在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上發(fā)表論文，報(bào)告了由光場散射電子而產(chǎn)生的新型全息技術(shù)。這一發(fā)現(xiàn)不僅擴(kuò)大了電子全息術(shù)的應(yīng)用范圍，而且還允許同時(shí)確定電磁（光）波的幅度和相位信息。 全息術(shù)是一種在電子顯微鏡中廣泛使用的測量技術(shù)，基于電子的波動特性【3】。在該技術(shù)中，一束電子束被分成兩部分，然后重疊產(chǎn)生條紋干涉圖案（也即全息圖）。兩部分光束的相位差可以從該圖案中提取出來。因?yàn)殡妶龊痛艌隹梢杂绊懲ㄟ^其間的電子束的相位，所以電子顯微鏡中的全息技術(shù)能以極高的空間分辨率來測量電磁場，最高能達(dá)到納米級的分辨率。 但是在這篇論文中，Madan等人想要測量振蕩光波的相位。為此，他們開發(fā)了一種新的全息技術(shù)，其原理與傳統(tǒng)電子顯微鏡的原理截然不同：通過振蕩光場，調(diào)制電子之間的量子干涉。讓我們接下來討論一下該實(shí)驗(yàn)中電子與光相互作用的物理機(jī)制。 如果一束快速運(yùn)動的電子流穿過振蕩的電磁場，一些電子會加速，另一些則會減速，這取決于它們何時(shí)進(jìn)入和離開電磁場區(qū)域。通過測量穿過電磁場的電子速度分布就能發(fā)現(xiàn)電子吸收或失去的能量是量子化的，正好是光場中光子能量的整數(shù)倍【4,5】。該效應(yīng)的顯著程度隨著光強(qiáng)度的增加而增加，這也是該文提出的光子誘導(dǎo)近場電子顯微鏡（PINEM，photon-induced near-field electron microscopy）技術(shù)的基礎(chǔ)，該技術(shù)可以測量納米粒子和其他微結(jié)構(gòu)周圍的光強(qiáng)度【6】。 為了在PINEM實(shí)驗(yàn)中測量光波的相位，必須產(chǎn)生某種形式的干涉。Madan等人采用PINEM技術(shù)測量了具有不同幾何形狀的樣品，讓電子與多個(gè)光波相互作用從而產(chǎn)生這種干涉。一部分實(shí)驗(yàn)涉及到讓電子依次飛過兩個(gè)在空間上隔開的光場。如前所述【7】，這兩個(gè)光場的相對相位決定了電子和光相互作用的強(qiáng)度：同相的光場可以通過相長干涉增強(qiáng)相互作用，而反相的兩個(gè)場可以相互抵消。 在該論文里最引人注目的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，Madan等人通過照射金屬薄膜中的一個(gè)開孔而產(chǎn)生一種被稱為表面等離激元（SPPs, surface plasmon polaritons）的波，它們可以認(rèn)為是束縛在金屬表面的光場（圖1）。電子束通過這些表面等離激元并與之發(fā)生相互作用，除此之外電子束還和薄膜另一側(cè)的電磁場發(fā)生相互作用。之后電子束會產(chǎn)生螺旋狀的干涉圖案，其上記錄了薄膜上每個(gè)位置處光場的相對相位，因此這些干涉圖案包含全息信息。當(dāng)作者傾斜薄膜時(shí)，螺旋也相應(yīng)變形，對應(yīng)了表面等離激元不同的傳播方向，這就好比救護(hù)車警報(bào)器的聲音隨著接近或者遠(yuǎn)離而發(fā)生變化。 圖一 | 電子-光干涉效應(yīng)示意圖。Madan等人【2】展示了由光場散射電子產(chǎn)生的新型全息技術(shù)。在他們的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，光照射一片開孔的金屬膜，產(chǎn)生被稱為表面等離激元的波（束縛在金屬表面的光場）。在薄膜的另一側(cè)會產(chǎn)生不同的光場圖案（由條紋表示）。當(dāng)電子束穿過薄膜時(shí)，它依次與兩側(cè)的場相互作用，產(chǎn)生螺旋狀干涉圖案。該圖案記錄了薄膜上每個(gè)位置處光場的相對相位信息（波峰和波谷的模式），因此包含全息信息。 在先前的工作【8】中也發(fā)現(xiàn)了類似的干涉圖案，它們來源于光場導(dǎo)致的電子場發(fā)射效應(yīng)，但本文所述論文中的實(shí)驗(yàn)與先前工作之間在概念上存在關(guān)鍵差異。具體來說，當(dāng)前研究中的一些全息圖來自電子束的量子力學(xué)干涉，而不是來自交叉光波之間的干涉。值得注意的是，在Madan及其同事的研究當(dāng)中，電子作為媒介實(shí)際上促成了在空間上不重疊的光波之間的干涉。換句話說，光學(xué)相位信息在一個(gè)位置存入電子，然后在另一個(gè)位置由第二個(gè)光場“讀出”。 利用電子傳輸光學(xué)相位信息的能力很有可能在電子顯微鏡及其他領(lǐng)域開辟出各種新的應(yīng)用。例如，可以使用這種相位信息來測量嵌入固體中的單個(gè)或復(fù)合量子光發(fā)射器（quantum light emitters）的光學(xué)響應(yīng)，例如晶體中的單個(gè)原子、分子或點(diǎn)缺陷。我們還能讓電子與更復(fù)雜的激光脈沖序列相互作用，并且加入多種顏色的光，這可能發(fā)展出全新的電子光譜學(xué)技術(shù)。通過光誘導(dǎo)的方法調(diào)制電子束的時(shí)間結(jié)構(gòu)【9-11】，Madan及其同事的全息技術(shù)可以用來研究材料在比一個(gè)光波周期更短的時(shí)間尺度（阿秒級）上的行為，并且達(dá)到電子顯微鏡的空間分辨率。 我們還不清楚這些新發(fā)現(xiàn)是否可以帶來更加先進(jìn)的應(yīng)用，比如使用電子束作為量子通信系統(tǒng)的一部分，甚至是量子計(jì)算。這些技術(shù)可能需要多個(gè)自由電子彼此之間的受控耦合或量子關(guān)聯(lián)，但是到目前為止這兩項(xiàng)技術(shù)都還沒有實(shí)現(xiàn)。即便如此，Madan及其同事的工作的確代表了光控電子領(lǐng)域令人興奮的進(jìn)步。 參考文獻(xiàn)： 1. Smalley, D. E. et al. Nature 553, 486–490 (2018). 2. Madan, I. et al. Sci. Adv. 5, eaav8358 (2019). 3. Lichte, H. & Lehmann, M. Rep. Prog. Phys. 71, 016102 (2008). 4. García de Abajo, F. J., Asenjo-Garcia, A. & Kociak, M. Nano Lett. 10, 1859–1863 (2010). 5. Park, S. T., Lin, M. & Zewail, A. H. New J. Phys. 12, 123028 (2010). 6. Barwick, B., Flannigan, D. J. & Zewail, A. H. Nature462, 902–906 (2009). 7. Echternkamp, K. E., Feist, A., Sch?fer, S. & Ropers, C. Nature Phys.12, 1000–1004 (2016). 8. Spektor, G. et al. Science 355, 1187–1191 (2017). 9. Priebe, K. E. et al. Nature Photon.11, 793–797 (2017). 10. Kozák, M., Sch?nenberger, N. & Hommelhoff, P. Phys. Rev. Lett. 120, 103203 (2018). 11. Morimoto, Y. & Baum, P. Nature Phys. 14, 252–256 (2018). 原文以Holograms from electrons scattered by light為標(biāo)題 發(fā)布在2019年7月3日《自然》新聞與觀點(diǎn)上 ? Nature|doi:10.1038/d41586-019-02016-6 |
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