Strong electron-photon interactions with high-Q microresonators

Descripción del proyecto

Estudio de la dinámica de reacción fuerte de electrones y fotones a escala de attosegundos

La interacción entre la luz y la materia abarca un espectro asombroso de fenómenos de la física cuántica. El objetivo del proyecto SEPhIM, financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie, es mejorar la comprensión sobre la manera en la que interactúan los fotones con los electrones mediante la combinación de conocimientos especializados en fotónica integrada, microscopia electrónica de transmisión ultrarrápida y óptica cuántica. El uso de microrresonadores integrados en un chip con un factor de calidad ultraalto debería mejorar la fuerza de acoplamiento entre los electrones libres y los fotones de cavidad en un microscopio electrónico de transmisión ultrarrápido. La eficacia de las interacciones entre los electrones libres y las cavidades también podría permitir a los investigadores sintetizar estados cuánticos de larga duración y fuertemente correlacionados. La microscopía ultrarrápida también debería permitirles observar la dinámica de la forma de onda de solitones generada a velocidades de attosegundos.

Objetivo

The main objective of the SEPhIM research action is the development and exploitation of strong electron-photon interactions with photonic-chip-based high-Q microresonators and photo-induced near-field electron microscopy (PINEM). This will be achieved using the ultra-high quality factor of integrated microresonators to enhance the coupling strength between free electrons and cavity photons in an ultrafast transmission electron microscope (UTEM). This project will bridge and separately advance the fields of integrated photonics, ultrafast electron microscopy, and quantum optics.

By performing UTEM-PINEM, a multidimensional imaging and spectroscopy of the microresonators are available. The enhanced electron-photon interaction, mediated by the high Q-factor of the microresonators, will lead to a strong phase modulation of free electrons, a wide spectral broadening of the electron energy, and the measurement of cavity-photon lifetime.

Moreover, using temporal dissipative solitons formed in the microresonators, time-gated electron-soliton interactions will also be investigated. Due to the strong spatiotemporal confinement of the soliton pulse, the electron-photon coupling will be further enhanced. Attosecond electron pulses in UTEM will enable time-domain electron microscopy of the soliton waveforms, while the concomitant generation of optical frequency combs will provide spectrally-resolved characterization of the electron-soliton interaction.

Furthermore, strong coupling between free electrons and cavity photons will enable quantum state synthesis and entanglement generation. As a proof-of-concept demonstration, we intend to perform all-optical non-demolition detection of free electrons. The electron-photon interaction will be used to herald and register transmitted electrons, thus suppressing shot-noise in the electron beam. This will improve the signal-to-noise ratio and reduce radiation damage in electron imaging and spectroscopy techniques.