藝術家對ACHIP結構及其相互作用的描繪。整合在電子顯微鏡中的矽光子器件提供了與連續波光的有效電子相互作用，使量子光子統計檢測成為可能。根據光的光子統計，當電子透過矽光子通道時，會與光糾纏在一起。該影象採用了矽光子加速器的精確設計，並利用其內部的精確場分佈來描述光子場分佈。來源:SimplySci Animations, Urs Haeusler和Technion的AdQuanta小組。
幾十年來，物理學家已經知道光可以同時被描述為波和粒子。光的這種迷人的“二象性”是由於電磁激發的經典和量子性質，即產生電磁場的過程。
到目前為止，在光與自由電子相互作用的所有實驗中，光都被描述為波。然而，以色列理工學院(Technion-Israel Institute of Technology)的研究人員最近收集了第一個實驗證據，揭示了光子和自由電子相互作用的量子性質。他們的發現發表在《科學》雜誌上，可能對未來研究光子及其與自由電子的相互作用具有重要意義。
“大約兩年前，在我們的實驗發現自由電子和光之間的相互作用可以在100倍光學週期的距離內保持其相干性後，我們第一次想到了我們的研究想法，”進行這項研究的三位研究人員拉斐爾·達漢、阿列克謝·戈拉奇和伊多·卡米納透過電子郵件告訴Phys.org。“大約在這個時候，兩項重要的理論研究也出現了，它們都探索了光的量子屬性應該如何改變與電子的相互作用。”
之前的兩項理論研究，一項是Göttingen大學的Ofer Kfir，另一項是ICFO研究所的Javier García de Abajo和他的同事，預測了一種發生在光和自由電子之間的新型基本相互作用，揭示了光的量子屬性。從這些重要的預測中汲取靈感，Kaminer, Dahan, Gorlach和他們的同事開始尋找一個能夠透過實驗研究這種相互作用的系統。更具體地說，研究人員想證明光的量子統計可以改變電子和光的相互作用。
Kaminer, Dahan和Gorlach解釋說:“這讓我們尋找兩個重要的組成部分。”“第一種是一種能更好地耦合電子和光的裝置，第二種是一種能產生最大強度量子光的光子源。”
為了實現更大的耦合效率，研究人員諮詢了晶片上加速器(ACHIP)研究團體的成員，該團體的目標是利用鐳射實現緊湊的電子加速，並將其整合到晶片上。經過一系列的計算，該團隊發現，與之前所有實驗結果相比，耦合效率可以提高100倍。
Kaminer, Dahan和Gorlach說:“我們首先與來自斯坦福大學(Solgaard, England, Leedle, Byer，和他們的學生)的一個小組合作，他們設計併為我們提供了第一次測試的ACHIP結構。”“這是第一次在透射電子顯微鏡中使用矽光子晶片的實驗，並且已經產生了引人入勝的影響，由Yuval Adiv等人撰寫的另一篇論文將很快出現在《PRX》雜誌上。”
隨後，Kaminer和他的同事發起了與ACHIP社群的另一部分的合作，由德國埃爾蘭根的Peter Hommelhoff領導的團隊。這個研究小組提供了世界上最好的ACHIP結構，這是Kaminer進行這個複雜實驗所必需的。
為了產生強量子光，研究人員與Technion的愛森斯坦小組密切合作。這個小組允許他們使用一種特殊的光放大器:一種可以將光的量子光子統計從泊森分佈(如在經典相干光中)改變為超泊森分佈的儀器。
“我們的研究是一段漫長的旅程，”Dahan說。“結合所有這些不同的元素，並透過使用我們的超快透射電子顯微鏡進行非常具有挑戰性的實驗，我們實現了我們的主要目標:展示了具有不同量子屬性的自由電子與光之間的第一次相互作用。”
Kaminer和他的同事們最終能夠揭示光子和自由電子之間相互作用的量子本質，透過在整個實驗中不斷改變光子統計資料，並展示電子能譜是如何響應變化的。他們觀察到的光子統計的變化取決於光放大器中泵浦和鐳射種子的強度。
研究人員探索的主要相互作用是涉及輸入光和自由電子的相互作用。在他們的實驗中，電子充當了光狀態的探測器。因此，透過測量它們的能量，研究人員能夠提取關於光的量子資訊。
電子測量只能透過量子化電子和光來解釋，就像他們得到啟發的理論論文所預言的那樣。Kaminer說:“只有使用了這個新理論，我們的測量結果才變得非常一致。”“從基本的角度來看，我們研究的主要發現是:量子光與自由電子之間的相互作用，相互作用中糾纏的出現，以及量子經典對應原理。這一原理顯示了量子游走的效應，透過電子及其過渡到隨機遊走。”
除了可能為新的光相關物理研究鋪平道路之外，實驗證據還可能為幾種新技術的發展提供資訊。這包括可收集高解析度影象的非破壞性和非侵入性成像工具。
“首先，我們展示了可以使用自由電子來測量光的量子光子統計，”Kaminer, Dahan和Gorlach說。“這種測量方法有幾個優點，可以在未來被證明，例如，非破壞性，高時間解析度，和發生在近場高空間解析度。”
Kaminer和他的團隊最近的工作證明了利用連續波(CW)光臨時塑造電子是可能的。這一結果可以使矽光子晶片整合到電子顯微鏡中，以增強電子顯微鏡的能力，例如，在不損害其空間解析度的情況下，為最先進的顯微鏡引入二次解析度。
“我們現在計劃在兩個主要研究方向繼續我們的工作，”卡米納、達漢和戈拉赫說。“第一個是光子近場全量子態斷層掃描，比如測量晶片上的光的壓縮，而不需要比光耦合。我們正在研究的另一個方向是利用相干形狀的電子創造量子光，這是我們在最近的理論論文中提出的設想。”
