创新的量子技术将自由电子与光子纠缠在一起。它们可以为成像过程中有前途的应用开辟新的途径。图片来源：Dominik Hornof/TU Wien
大约 100 年前，人类在电子的帮助下学会了看东西。1924 年，路易斯·德布罗意 （Louis de Broglie） 假设，与光粒子一样，电子具有波特性。1927 年，美国物理学家戴维森和格默提供了这一点的实验证明。
几年后，工程师 Ernst Ruska 和 Max Knoll 制造了第一台电子显微镜，它比任何光学显微镜都强大。鉴于电子波被比光子小得多的物体衍射，光的光学分辨率极限被突破，预示着显微镜的新时代。
结合两个世界：量子电子显微镜“电子显微镜是一种疯狂、酷的技术，”维也纳工业大学副教授 Philipp Haslinger 说。“原则上，我们可以用它来观察病毒或其 DNA 的刺突蛋白——在原子水平上，即现实的像素。”
量子光学专家 Haslinger 故意说“可以”，因为有一个问题：电子的能量通常非常高，以至于它们会破坏敏感的样品。因此，不能用电子显微镜“实时”观察生物过程。
根据 Haslinger 的说法，有一种可能的解决方案：“从更少的电子中获取更多信息。为了实现这一目标，他的 11 人团队使用了“量子电子显微镜”，它将经典电子显微镜与基于光子的量子光学的新世界相结合。
诡异成像他们可能的想法之一是基于一种被称为“量子幽灵成像”或 Zou-Wang-Mandel 效应的方法。在这种方法中，纠缠的电子-光子对生成物体的图像。
它的工作原理是这样的：首先，电子穿过半透明介质并“超越”那里的光，“有点像飞机超音速飞行，”Haslinger 解释说。这会产生一个光子，该光子被认为与电子纠缠在一起。当电子向样品移动时，光子进入相机检测器。由于两者纠缠在一起，光子可用于测量电子是否撞击样品。如果检测到的光子可以成功进行空间分辨，则可以构建物体的图像。
至少，这是发表在《量子科学与技术》上的方法背后的理论。“世界各地的几个研究小组正在努力建立这种纠缠的第一个证据——我们处于第一线，”Haslinger 说。在实践中，创新理念充满了技术挑战。该团队首先必须调整现有的显微镜。“通常，电子显微镜是完全密封的，但我们会在上面钻孔，以便光子可以逸出以进行测量，”这位物理学家说。
生物学和材料科学前景广阔现在需要的是原理证明该方法可以产生电子-光子对。“事实上，它现在随时可能发生，”Haslinger 希望。“我们已经录制了一张幽灵图像。所以我们能够用电子看到光子“看到”的东西。现在我们正在寻找两个粒子之间干涉现象的证据。找到这些证据，就能给我们提供明确的纠缠证据。
在观察特别对光敏感的物体时，使用纠缠光子-光子对的既定伪影成像变体已经证明了它的价值。如果 Haslinger 的计划成功，这种对样品的保留处理将首次与电子的高光学分辨率相结合。
这样的发展将开辟有前途的应用，例如在电池研究中：可以更好地观察充电和放电过程中材料表面的分子和原子变化，这将有助于识别优化的材料。生物学中也可能有惊人的新见解，例如观察蛋白质折叠而不在照射过程中被破坏。
“看着生活发生，那将是一个梦想，”Haslinger 笑着说。20 年前，他还是一名年轻的物理学学生，他参加了 Anton Zeilinger 的讲座，这使他对量子光学产生了兴趣。现在，他和他的同事们可以为电子显微镜带来新的品质，其历史始于一个世纪前。
更多信息：Philipp Haslinger 等人，电子显微镜的自旋共振波谱，量子科学与技术（2024 年）。DOI： 10.1088/2058-9565/ad52bc
期刊信息： Quantum Science and Technology
