Descrizione del progetto
Una spettroscopia quantistica rivoluzionaria grazie a pacchetti di onde di elettroni su misura
Gli elettroni, proprio come la luce, si comportano sia in qualità di particelle, sia in qualità di onde. Per descrivere particelle quantistiche come gli elettroni in un senso semi-classico gli scienziati si avvalgono dei pacchetti di onde, che forniscono informazioni sia sulla localizzazione che sul momento dell’elettrone. La combinazione di molteplici onde caratterizzate da un momento più o meno analogo in un «pacchetto» è ciò che consente la localizzazione delle particelle. La realizzazione su misura del pacchetto di onde, ovvero la sua modellazione nello spazio e nel tempo, apre la strada a uniche interazioni esotiche tra elettroni, fotoni e materia, che possono essere integrate in configurazioni di microscopia elettronica per acquisire una nuova finestra sul mondo quantistico. Il progetto QEWS, finanziato dall’UE, sta introducendo tale concetto per ricavare indizi senza precedenti sulle interazioni tra elettroni, fotoni e materia.
Obiettivo
Can we shape an electron wavepacket in space and time? Can we tailor it to probe material properties that are currently inaccessible? Recent work has shown that high-energy electrons (80-200 keV) interacting with strong light fields can absorb or release quantized energy packets equal to the photon energy. This dresses the electron into a superposition state composed of a spectrum of energy-loss and -gain sidebands. Here we exploit this Photon-Induced Near-field Electron Microscopy (PINEM) effect in order to create a revolutionary new method of tailoring the spatial and temporal distribution of electron wavepackets at will.
Building on my strong expertise in the field of electron-light-matter interactions and nanophotonics, we will incorporate the PINEM effect into a scanning electron microscope (SEM) and integrate it with advanced cathodoluminescence (CL) light detection. Using 5 keV electrons and advanced optical metamaterial designs we will amplify the PINEM effect by a factor 1000.
Using spatial light modulation we spatially vary the PINEM light fields which results in wide control over the electron energy spectrum. We create electron-metasurface interactions that stretch, chirp, or split the electron wavepacket, enabling entirely new ultrafast pump-probe detection schemes of optical excitations and relaxations. Using a compact solid-state implementation we perform subsequent PINEM operations on a single electron and perform a full quantum state reconstruction of the electron’s density matrix that represents the interaction. We derive the wavepacket amplitude and phase and reveal dephasing processes in optical excitations.
The new PINEM-SEM-CL technique opens up an entirely new world of electron microscopy applications in integrated optics, nanophotonics, and opto-electronics and will provide detailed insights into fundamental electron-light-matter interactions that have been inaccessible thus far.
Campo scientifico
Programma(i)
Argomento(i)
Meccanismo di finanziamento
ERC-ADG - Advanced GrantIstituzione ospitante
3526 KV Utrecht
Paesi Bassi