近日，以色列理工大學(xué)表示，艾杜·卡米內(nèi)爾教授及其團(tuán)隊(duì)在量子科學(xué)領(lǐng)域取得了重大突破，研發(fā)出能記錄光流的超快透射電子顯微鏡，并利用它直接觀察束縛在光晶體內(nèi)的光。相關(guān)研究發(fā)表在《自然》雜志上。

卡米內(nèi)爾說，他們研發(fā)出的超快透射電子顯微鏡是全球最先進(jìn)的近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡，用它可將不同波長(zhǎng)的光源以不同角度照亮任何納米材料樣品，并繪制樣品中光與電子的相互作用。研究小組成員、論文第一作者王康鵬博士表示，這是他們首次真實(shí)觀察到光束縛在納米材料中的動(dòng)態(tài)，而非依靠計(jì)算機(jī)模擬。

新的研究突破具有眾多潛在應(yīng)用前景，包括設(shè)計(jì)新的量子材料來存儲(chǔ)具有更高穩(wěn)定性的量子比特，以及幫助提高手機(jī)和其他類型顯示屏的色彩銳度。卡米內(nèi)爾認(rèn)為，利用極高分辨率的超快透射電子顯微鏡研究更先進(jìn)的納米/量子材料，將產(chǎn)生更廣泛的影響。例如，當(dāng)今世界上最先進(jìn)的屏幕使用基于量子點(diǎn)的QLED技術(shù)，從而在更高清晰度情況下讓色彩對(duì)比度得以控制。但面臨的難題是如何在大尺寸屏幕上提高量子點(diǎn)的質(zhì)量并使它們更均勻。新的研究將超越現(xiàn)有技術(shù)的能力，改善屏幕的分辨率和色彩對(duì)比。

超快速透射電子顯微鏡包括40千伏至200千伏的變壓電子加速器和激光系統(tǒng)。加速器可將電子加速至光速的30%—70％，激光系統(tǒng)能產(chǎn)生功率40瓦且接近100飛秒的光脈沖。超快電子透射顯微鏡構(gòu)成飛秒量級(jí)泵浦探針裝置，研究人員利用光脈沖激活納米材料樣品和利用電子脈沖探測(cè)樣品的瞬態(tài)，電子脈沖穿透樣品并對(duì)其成像。這種具有多維度能力的整體設(shè)置十分有助于全面了解納米級(jí)物體基本特征。

過去，量子電動(dòng)力學(xué)研究了量子物質(zhì)與光腔模式之間的相互作用，這對(duì)構(gòu)成量子技術(shù)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要。但是迄今為止，所有實(shí)驗(yàn)都只關(guān)注光與束縛電子系統(tǒng)（例如原子、量子點(diǎn)和量子電路）的相互作用，這些束縛電子系統(tǒng)在能量狀態(tài)、光譜范圍和選擇規(guī)則上均存在較大限制。

新突破的核心在于將超快自由電子和光相互作用的研究進(jìn)展引入一種新型的量子物質(zhì)，即量子自由電子“波包”。量子自由電子“波包”沒有束縛電子系統(tǒng)固有的限制。雖然對(duì)自由電子激發(fā)新的空腔效應(yīng)存在著多種理論預(yù)測(cè)，但是由于相互作用的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的基本限制，因而以前從未觀察到自由電子的光子腔效應(yīng)。