量子全息要來了？已實現電子光量子干涉對電磁場進行全息成像！

在傳統全息照相術中，膠片可以用非散射光的參考光束記錄從被成像物體散射出單色光的干涉圖樣。然後，科學家可以用參考光束複製品來照亮所生成的圖像，從而創建出原始物體的虛擬圖像。全息術最初是由物理學家丹尼斯·加伯於1948年提出，目的是提高電子顯微鏡的解析度，並通過光學演示。全息圖可以通過將信號的相位和振幅分布與已知的基準疊加而形成。最初的概念是電子全息術，激光光學全息術發明後成為一種流行的三維成像宏觀物體、信息加密和顯微成像技術。

然而，將全息圖擴展到超快領域目前仍然是電子領域的一個挑戰，儘管發展這項技術將為凝聚態物理的高級成像應用提供儘可能高的時空解析度。在表在《科學進展》上研究中，伊萬·馬丹(Ivan Madan)和一個跨學科研究團隊，在瑞士、英國和西班牙的超快顯微鏡和電子散射、物理、科學和技術部門，詳細描述了利用局部電磁場製作全息圖的過程。科學家們用超快透射電子顯微鏡(UEM)獲得了阿秒/納米解析度的電磁全息圖。在新方法中，科學家們依靠電磁場在不同能量狀態的量子相干疊加中分裂電子波函數。

傳統與全息PINEM成像，圖片：Science Advances

該技術與傳統方法不同，將感興趣的信號和參考信號在空間上分離並重新組合，重建感興趣信號的振幅和相位，從而形成全息圖。該原理可以擴展到任何類型的探測結構，包括聲波、x射線或飛秒脈衝波形等周期信號能夠受到干擾。隨著全息技術研究的進一步發展，時間分辨光學全息技術得到了進一步的發展。由於利用飛秒激光產生超快電子脈衝的超快透射電子顯微鏡的最新發展，達到超快領域也可以成為現實。這些發展使得實時拍攝集體電子模式、應變場和磁性紋理的解析度達到幾百飛秒。

在這項新研究中，Madan等人在超快透射電子顯微鏡(UEM)中演示了時域全息成像技術。他們基於電子波包與多個光場的量子相干相互作用技術。為了說明這種方法，Madan等人捕獲了等離子體結構中快速演化的電磁場的阿秒/納米解析度相敏薄膜。科學家們在研究中採用了兩種關鍵的實驗方法，以並行地獲得一般電子態的量子相干性。這項研究將與電子量子光學的進一步應用有關。作為全息UEM的一個簡單實現，科學家們基於兩個場對兩個傳播表面等離子體極化子(SPPs)的局部干涉(即自由電子沿金屬的集體振蕩波)。

等離子體全息圖的時間步長為0.33-fs。圖片：Science Advances

用傳統光子誘導近場電子顯微鏡(PINEM)描述了電子脈衝與單個SPP的相互作用機理，然後比較了在局部全息PINEM中通過兩個SPP之間的干涉產生的全息圖。在傳統的松果體模型中，電子可以無彈性地吸收或發射光子能量量子，並過濾無彈性散射電子，從而形成等離子體場的真實空間圖像。為了實現全息PINEM的概念，Madan等人使用了一個由兩個垂直狹縫組成的實驗納米結構，該狹縫由鎵(Ga)離子銑削製備的銀(Ag)薄膜組成，沉積在氮化硅薄膜(Si3N4)上。在改良的透射電鏡下進行了實驗，科學家們使用了第二個SPP波作為參考，並創建了一個與感興趣的SPP干涉模式。

當兩個波在空間和時間上重疊時，就形成了全息圖。科學家們通過對非彈性散射電子進行能量濾波，觀察到兩個相對脈衝延遲分別為-77、-20、0和22飛秒的spp所形成全息圖。Madan等人利用量子階梯不同能量狀態之間的相干性推廣了全息方法，其中電子波函數在與光相互作用時分裂。由於電子攜帶著關於光場振幅和相位的信息，甚至在相互作用完成之後，科學家們利用這一事實來實現量子全息。在實驗中，利用電子透明光學鏡反射光束產生的半無限光場，創建了一個與材料無關的參考場。該裝置允許幾乎恆定的空間振幅和相位，為全息術的研究提供了最佳參考場。

在本研究背景下，電子狀態的量子相干性不是指電子之間的相干性，而是指電子平面波的單色性(奇異性)和相位穩定性。Madan等人使用這個術語來確定電子在環境中是處於純態還是糾纏態。因此，在量子意義上，不同能級之間的相位是由時間演化運算元決定，而不是隨機的。然後，科學家們重建了三維粒子或納米結構周圍複雜的電場分布。結果表明，局域等離子體全息和空間分離量子全息數學等價性使得記錄的全息圖可以用傳播駐波的同樣形式來處理。通過記錄從銀鏡反射的傾斜波前和從銀層上雕刻的孔中發射的等離子體波形成全息圖，觀察了這種效應。

由此產生的圖案顯示出一種周期性，這種周期性在未繪製的全息圖中是自然不存在的。通過模型計算，區分了高相干(純)和完全非相干(完全混合)電子分布。為此建立了光電子密度矩陣的模型，例如，利用固體目標的紫外線照射。然後在實驗裝置中協調電子態，使之與移動的等離子體極化子相互作用。通過觀察電子能量分布，科學家們能夠確定光發射電子中是否存在部分相干。在此基礎上，提出了將UEM全息成像進一步擴展到實際實現量子全息UEM。科學家們設想，在未來利用這項技術來研究凝聚態系統中原子極化率、激子、聲子、希格斯粒子以及其他集體和准粒子激發等潛在的有趣對象。

目前的研究提供了足夠信息來重建未知電子態的完整密度矩陣，類似於以前用阿秒脈衝序列重建量子態的方法。但與以往的工作不同，該方法還可以利用控制良好的SPP場並行實現多個投影測量。用這種方法演示了基於超快透射電子顯微鏡(UEM)的局部和空間分離全息方法。科學家們表示，該技術的非局域特性允許完全解耦參考場和探針場，這在以前的近場光學或光電發射顯微技術中是不可能的。該工作提供了一個獨特視角，以實現原子和亞飛秒的聯合決議在透射顯微鏡。該方法將使電子量子態相干的空間分辨檢測方法成為可能，在電子量子全息和其他應用領域具有巨大潛力。

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