Neue holografische Methode erfasst Objekte außerhalb der Reichweite des Lichts

• Forscher verwenden sich frei ausbreitende Elektronen, um zu sehen, wie sich Licht über die Grenzen der Wellenlänge hinaus verhält.
• Sie konnten eine neue holographische Methode entwickeln, die nanoskalige Objekte erfasst.
• Es kann der Quantenberechnung neue Türen öffnen.

Das Konzept des Hologramms wurde erstmals 1948 entdeckt, aber Wissenschaftler waren erst 1960 in der Lage, Hologramme zu erstellen, als eine geeignete Lichtquelle, der Laser, erfunden wurde .

Die optische Holographie hat sich mittlerweile zu einem beliebten Verfahren für die 3D-Bildgebung makroskopischer Materialien und Sicherheitsanwendungen entwickelt. Die räumliche Auflösung dieser Methode ist jedoch durch die Lichtwellenlänge (1 Mikrometer) begrenzt. Daher kann es nicht für die Abbildung kleinerer (nanoskaliger) Objekte verwendet werden.

Kürzlich haben Forschende der Eidgenössischen Technischen Hochschule eine Technik entwickelt, mit der sie beobachten können, wie sich Licht jenseits der Grenzen der Wellenlänge (im Nanometerbereich) verhält. Sie verwendeten ein seltsames fotografisches Medium – sich frei ausbreitende Elektronen.

Elektronen interagieren mit Licht

Die Richtung des Lichts und der freien Elektronen ist ein entscheidender Parameter, da sie im Gegensatz zur konventionellen Fotografie phasenempfindlich ist. Nach der Wechselwirkung mit Licht existieren die Elektronen in Überlagerungszuständen mit unterschiedlichen Energien.

Referenz:Wissenschaftlicher Fortschritt | DOI:10.1126/sciadv.aav8358 | EPFL

Wenn diese Elektronen mit einem anderen Laserpuls wechselwirken, ändern sich ihre Zustände aufgrund der kleinsten Verzögerung zwischen den beiden schnell und weisen eine sehr unterschiedliche Energieverteilung auf. Forscher erstellen eine Karte der Energieverteilungen, um die Position des Lichts zu einem bestimmten Zeitpunkt genau zu bestimmen.

Frei ausbreitende Elektronen interagieren mit Licht und ändern ihren Zustand | Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Tatsächlich nutzten sie dieses physikalische Prinzip, um einen Echtzeitfilm der sich in den Nanostrukturen ausbreitenden Lichtwellen bei bester räumlicher Auflösung zu erstellen.

Ein Weg zur Quantenberechnung

Um die Elektronenreferenz- und Elektronenabbildungsstrahlen energetisch zu isolieren, nutzten die Forscher die Quantennatur der Elektron-Licht-Wechselwirkung. Dadurch konnten sie Daten zur Elektronenwellenfunktion mithilfe von Lichtpulsen verschlüsseln. Es ist möglich, Daten mit ultraschneller Transmissionselektronenmikroskopie zu kartieren.

Insgesamt hat diese neue Technik 2 große Vorteile –

1. Bildgebung elektromagnetischer Felder mit Nanometer- und Attosekunden-Präzision in Raum und Zeit.
2. Es kann auf Quantencomputeranwendungen angewendet werden, um die Quanteneigenschaften freier Elektronen abzustimmen.

Der Ansatz bietet die höchste räumliche Auflösung als jede andere existierende Technik. Bisher war die Technologie auf mikroskopische optische Instrumente beschränkt, die sich frei ausbreitende Photonen verwenden.

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Dies ist der erste Schritt zur Integration und Miniaturisierung von Lichtgeräten auf integrierten Schaltkreisen. Die Studie eröffnet auch die Möglichkeit, das Verhalten von Licht in photonischen Computern, Nanopartikeln und Atomen besser zu verstehen.