اپتیک و کوانتوم

دانشمندان دپارتمان فیزیک و مرکز نانوسکوپی فوق سریع رگنسبورگ (RUN)، دانشگاه رگنسبورگ، اکنون قادر به مشاهده مستقیم نسخه کوانتومی جرقه هرتز در حال پرش بین دو اتم که با دقتی سریعتر از یک چرخه نوسانی موج نور از خود ساطع می‌کند، با اندازه‌گیری اسیلوگرام نوری هستند. این سیگنال جدید دستیابی به یک هدف طولانی مدت را امکان پذیر کرد: رزولوشن فضایی اتمی در میکروسکوپ تمام نوری. این سیگنال به‌عنوان یک کانال ارتباطی بی‌سابقه با دنیای کوانتومی، می‌تواند برای توسعه فناوری‌های کوانتومی فوق سریع بسیار مهم باشد، زیرا بینش‌های جدیدی در مورد فرآیندهایی که در مقیاس‌های طولی اتم‌های منفرد و مقیاس‌های زمانی سریع‌تر از یک تریلیونم ثانیه اتفاق می‌افتند، ارائه می‌دهد.

فیزیکدانان از یک تیپ اتمی تیز استفاده کردند تا نور را به شکاف کوچک بین راس تیپ و سطح نمونه در ناحیه میدان نزدیک متمرکز کنند - این بار این شکاف با دقت زیر اتمی فقط چند اتم عرض داشت. در فیزیک کلاسیک، جایی که الکترون‌ها به صورت ذرات باردار و کوچک تصور می‌شوند، الکترون‌ها نمی‌توانند در این شکاف نفوذ کنند. با این حال، نزدیکی تیپ اتمی به نمونه، ماهیت دوم ذرات در مکانیک کوانتومی را نشان می دهد: رفتار موج مانند آنها. سهم بیشتر موج الکترونی در نوک آن قرار می گیرد، اما کسر کوچکی نیز در سراسر شکاف داخل نمونه قرار می گیرد، گویی که فردی همزمان در دو طرف در ایستاده است. این دوگانگی موج-ذره کوانتومی متضاد در یک جریان قابل اندازه‌گیری تجربی از الکترون‌هایی که از میان شکاف کوچک تونل زنی می‌کنند، آشکار می‌شود. میدان الکتریکی نوسانی نور، الکترون های تونل زنی را بین اتم مرزی تیپ و نمونه به جلو و عقب می کشاند و از این رو نسخه کوانتومی جرقه هرتز را هدایت می کند.

نویسنده اول، تام سیدی، می‌گوید: «تشخیص گسیل هرتزی از تعداد انگشت شماری الکترون در هر چرخه نوسانی نور در ابتدا مانند یک مأموریت غیرممکن به نظر می‌رسید. شگفتی ما را تصور کنید، زمانی که سیگنال قوی را کشف کردیم - همه اینها به لطف تیپ فوق العاده پایدار است که به عنوان آنتنی عمل می کند که این موج را از مقیاس اتمی ارسال می کند. نویسندگان این روش جدید را میکروسکوپ «گسیل تونل نوری میدان نزدیک» (NOTE) نامیدند. این یافته‌ها راه را برای مشاهده مستقیم امواج ماده در مقیاس طول اتمی در حرکت آهسته باز می‌کند. نتایج در Nature منتشر شده است. این کشف موفقیت‌آمیز با یک میکروسکوپ نوری فوق سریع منحصربه‌فرد امکان‌پذیر شده است که رزولوشن فضایی فوق‌العاده یک میکروسکوپ کاوشگر روبشی پیشرفته را با اندازه‌گیری سیگنال تمام نوری ترکیب می‌کند.

More information: Thomas Siday et al, All-optical subcycle microscopy on atomic length scales. Nature (2024)