چندین دهه است فیزیکدانان می‌دانند که نور را می‌توان همزمان به صورت موج و ذره توصیف کرد. این «دوگانگی» جذاب نور، به دلیل ماهیت کلاسیک و کوانتومی برانگیختگی‌های الکترومغناطیسی است؛ فرآیندهایی که از طریق آنها میدان‌های الکترومغناطیسی تولید می‌شوند. با دیپ‌لوک همراه باشید…
تاکنون، نور در همه آزمایش‌هایی که با الکترون‌های آزاد برهمکنش می‌کند، به صورت موج توصیف شده است. با این حال، محققان Technion (موسسه فناوری اسرائیل)، به‌تازگی اولین شواهد تجربی را جمع‌آوری کرده‌اند که ماهیت کوانتومی برهمکنش بین فوتون ها و الکترون‌های آزاد را آشکار می‌کند. یافته‌های آنها که در مجله ساینس منتشر شده‌است، می‌تواند پیامدهای مهمی برای تحقیقات آینده در مورد فوتون ها و برهمکنش آنها با الکترون‌های آزاد داشته باشند. رافائل داهان (Dahan)، الکسی گورلاچ (Gorlach)و ایدو کامینر (Kaminer)، سه تن از محققانی که این مطالعه را انجام داده‌اند، می‌گویند:
ایده این پژوهش، اولین بار در حدود دو سال پیش، پس از کشف تجربی ما به وجود آمد که برهمکنش بین الکترون آزاد و نور می‌تواند همدوسی خود را در فواصل صد برابر دوره اپتیکی حفظ کند. در همین زمان، دو اثر نظری مهم نیز ارائه شد که هر دو به بررسی چگونگی تغییر خواص کوانتومی نور در برهمکنش با الکترون‌ها پرداختند.
این دو نظریه قبلی، یکی توسط اوفر کفیر (Ofer Kfir) در دانشگاه گوتینگن و دیگری توسط ژاویر (Javier García de Abajo) و همکارانش در ICFO، نوع جدیدی از برهمکنش‌های بنیادی را که بین نور و الکترون‌های آزاد رخ می‌دهد، با آشکارکردن خواص کوانتومی نور، پیش‌بینی کردند. کامینر، دهان، گورلاچ و همکارانشان با الهام از این پیش‌بینی‌های مهم، شروع به جستجوی سیستمی کردند که بتوانند این برهمکنش را به صورت تجربی مورد بررسی قرار دهند. به طور دقیق‌تر، محققان می‌خواستند نشان دهند که آمار کوانتومی نور می‌تواند برهمکنش الکترون و نور را تغییر دهد. کامینر، دهان و گورلاچ می‌گویند:
این امر باعث شد که ما به دنبال دو مولفه‌ی مهم باشیم: اول دستگاهی که بین الکترون و نور جفت‌شدگی بهتری خواهد داشت و دوم منبع فوتونی که نور کوانتومی را با بالاترین شدت ممکن تولید خواهد کرد.
محققان برای دستیابی به راندمان بیشتر جفت‌شدگی، با اعضای جامعه تحقیقاتی شتابدهنده روی تراشه (ACHIP) مشورت کردند که هدف آن، دستیابی به شتاب الکترون با استفاده از لیزر و مجتمع کردن آن روی تراشه است. محققان پس از انجام برخی محاسبات دریافتند که راندمان جفت‌شدگی را می توان صدها برابر در مقایسه با آنچه در تمام آزمایشات قبلی پیشنهاد شده بود، افزایش داد. کامینر می‌گوید:
ما ابتدا با گروهی از استنفورد همکاری کردیم. آنها یک ساختار ACHIP (شتابدهنده روی تراشه) را برای اولین آزمایش، طراحی و به ما ارائه کردند، این اولین آزمایشی بود که با استفاده از یک تراشه سیلیکون-فوتونیک در داخل یک میکروسکوپ الکترونی عبوری انجام گرفت که نتیجه آن مقاله دیگری بود که در PRX، توسط یووال ادیو (Yuval Adiv) و همکارانشان منتشر می‌شود.
متعاقباً ، کامینر و همکارانش با گروهی به رهبری پیتر هوملهوف در ارلانگن آلمان (Peter Hommelhoff at Erlangen Germany)، همکاری را آغاز کردند. این گروه تحقیقاتی بهترین ساختارهای ACHIP موجود در جهان را که برای انجام این آزمایش پیچیده برای کامینر لازم است، ارائه کردند.
محققان برای تولید نور کوانتومی شدید، با گروه آیزنشتاین (Eisenstein) در Technion همکاری کردند. این گروه به آنها اجازه دادند از نوع خاصی از تقویت‌کننده نوری استفاده کنند؛ ابزاری که می تواند آمار کوانتومی فوتون نور را از توزیع پواسون (مانند نور همدوس کلاسیک) به توزیع فوق پواسونی تغییر دهد. داهان می‌گوید:
مطالعه ما شبیه یک ماجراجویی بود، با ترکیب همه این عناصر مختلف و طی یک آزمایش بسیار چالش‌برانگیز با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری فوق سریع، ما به هدف اصلی خود دست یافتیم: اثبات اولین برهمکنش بین الکترون آزاد و نور با خواص کوانتومی مختلف.
کامینر و همکارانش در نهایت توانستند ماهیت کوانتومی برهمکنش بین فوتون و الکترون آزاد را با تغییردادن پیوسته تعداد فوتون در طول آزمایش خود و نمایش چگونگی تغییر طیف انرژی الکترون هنگام واکنش، آشکار کنند. تغییر در آمار فوتون که آنها مشاهده کردند بسته به شدت پمپ و منبع لیزر در تقویت کننده نوری متفاوت است.
برهمکنش اصلی که محققان بررسی کردند، برهمکنش نور ورودی و الکترون‌های آزاد است. الکترون‌ها در این آزمایش‌ها، به عنوان آشکارسازهای حالت نور عمل می‌کنند؛ بنابراین، محققان با اندازه‌گیری انرژی آنها توانستند اطلاعات کوانتومی در مورد نور را استخراج کنند.
اندازه‌گیری‌های الکترون را می‌توان تنها با کوانتش الکترون و نور توضیح داد، همانطور که توسط مقالات نظری که این گروه تحقیقاتی از آنها الهام گرفتند، پیش‌بینی شد بود. کامینر می‌گوید:
تنها با استفاده از این نظریه جدید، سازگاری خوبی با اندازه‌گیری‌های ما حاصل شد. از منظری بنیادی، یافته‌های اصلی مطالعه ما عبارتند از: برهمکنش بین نور کوانتومی و یک الکترون آزاد، برآمدن یا ظهور درهم تنیدگی در برهمکنش و اصل تطابق یا همخوانی کوانتوم-کلاسیک. این اصل، اثر یک گشت کوانتومی توسط الکترون و تغییر آن به یک ولگشت را نشان می‌دهد.
شواهد تجربی علاوه بر اینکه به طور بالقوه راه را برای تحقیقات جدید فیزیک مرتبط با نور هموار می کنند، می‌توانند توسعه چندین فناوری جدید را خبر دهند. این فناوری‌ها شامل ابزارهای تصویربرداری غیر مخرب و غیر تهاجمی است که می توانند تصاویر با وضوح بالا را جمع آوری کنند. محققان می‌گویند:
در ابتدا، ما نشان دادیم که می‌توان از الکترون‌های آزاد برای اندازه‌گیری فوتون نور کوانتومی استفاده کرد. جنبه‌های پیشرفته‌ی چنین اندازه گیری‌هایی می‌تواند در آینده ثابت شود، به عنوان مثال، غیر‌مخرب بودن، وضوح زمانی بالا و وضوح فضایی بالا.
کارهای اخیر کامینر و گروهش ثابت می‌کند که می‌توان به طور موقت الکترون‌ها را با استفاده از نور موج پیوسته (CW) شکل داد. این نتیجه می‌تواند مجتمع‌سازی تراشه‌های سیلیکون-فوتونیک را در میکروسکوپ های الکترونی برای افزایش قابلیت‌های میکروسکوپ الکترونی امکان‌پذیر کند؛ به عنوان مثال، افزودن وضوح زمانی اتوثانیه به میکروسکوپ‌های مدرن، بدون آسیب رساندن به وضوح فضایی آنها.
