以色列理工大学科学家首次直接观察到纳米光晶体内光的动态

以色列理工大学近日表示，艾杜·卡米内尔教授及其团队在量子科学领域取得了重大突破，研发出能记录光流的量子显微镜，并利用它直接观察束缚在光晶体内的光。相关研究发表在《自然》杂志上。

卡米内尔说，他们研发出的超快透射电子显微镜是全球最先进的近场光学显微镜，用它可将不同波长的光源以不同角度照亮任何纳米材料样品，并绘制样品中光与电子的相互作用。研究小组成员、论文第一作者王康鹏博士表示，这是他们首次真实观察到光束缚在纳米材料中的动态，而非依靠计算机模拟。

新的研究突破具有众多潜在应用前景，包括设计新的量子材料来存储具有更高稳定性的量子比特，以及帮助提高手机和其他类型显示屏的色彩锐度。卡米内尔认为，利用极高分辨率的超快透射电子显微镜研究更先进的纳米/量子材料，将产生更广泛的影响。例如，当今世界上最先进的屏幕使用基于量子点的QLED技术，从而在更高清晰度情况下让色彩对比度得以控制。但面临的难题是如何在大尺寸屏幕上提高量子点的质量并使它们更均匀。新的研究将超越现有技术的能力，改善屏幕的分辨率和色彩对比。

超快速透射电子显微镜包括40千伏至200千伏的变压电子加速器和激光系统。加速器可将电子加速至光速的30%—70%，激光系统能产生功率40瓦且接近100飞秒的光脉冲。超快电子透射显微镜构成飞秒量级泵浦探针装置，研究人员利用光脉冲激活纳米材料样品和利用电子脉冲探测样品的瞬态，电子脉冲穿透样品并对其成像。这种具有多维度能力的整体设置十分有助于全面了解纳米级物体基本特征。

过去，量子电动力学研究了量子物质与光腔模式之间的相互作用，这对构成量子技术基础结构的基础物理学的发展至关重要。但是迄今为止，所有实验都只关注光与束缚电子系统(例如原子、量子点和量子电路)的相互作用，这些束缚电子系统在能量状态、光谱范围和选择规则上均存在较大限制。

新突破的核心在于将超快自由电子和光相互作用的研究进展引入一种新型的量子物质，即量子自由电子“波包”。量子自由电子“波包”没有束缚电子系统固有的限制。虽然对自由电子激发新的空腔效应存在着多种理论预测，但是由于相互作用的强度和持续时间的基本限制，因而以前从未观察到自由电子的光子腔效应。(毛黎)