Quantenoptik mit Elektron-Photon Paaren

Elektronenmikroskopie ist eine sehr weit entwickelte Technologie, die sich die Welleneigenschaften von Elektronen zunutze macht, um Strukturen auf atomarer Ebene aufzulösen. In diesem Projekt wollen wir Cherenkov-Strahlung, die durch geladene Teilchen (Elektronen) mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit in einem dielektrischen Medium erzeugt wird, nutzen, um in einem Transmissionselektronenmikroskop korrelierte Elektron-Photonen-Paare zu erzeugen. Diese korrelierten Elektron-Photonen-Paare werden in Richtung quantenmechanischer Korrelation untersucht und optimiert, welche anschließend für innovative bildgebende Verfahren verwendet werden sollen. Die dabei entstehende hybride Elektronen-Photonen Plattform eröffnet weitreichende quantenoptische Anwendungen. Mit diesem Projekt wollen wir eine Verbindung zwischen den beiden sehr erfolgreichen Gebieten der photonischen Quantenoptik und der hochauflösenden Elektronenmikroskopie herstellen.

Elektronenmikroskope können mehr leisten, als nur extrem kleine Objekte sichtbar zu machen: In diesem Projekt haben wir gezeigt, dass sie auch Quantenverbindungen (Verschränkung) zwischen einzelnen Elektronen und einzelnen Lichtteilchen erzeugen und nutzen können. Dies ist ein wichtiger Schritt zu einer neuen Art von Mikroskopie, bei der Elektronen und Licht gemeinsam Informationen sichtbar machen, die der klassischen Physik nicht zugänglich sind. Elektronenmikroskope sind wichtige Werkzeuge in den Materialwissenschaften, der Nanotechnologie und der Biologie. Sie können Strukturen abbilden, die weit kleiner sind als das, was mit optischen Mikroskopen sichtbar gemacht werden kann. Gleichzeitig können aber die energiereichen Elektronen, die für die Bildgebung verwendet werden, empfindliche Proben beschädigen. Unser Projekt untersuchte daher, ob Konzepte aus der photonischen Quantenoptik helfen können, diese Grenze zu verschieben. Ein zentrales Ergebnis war die experimentelle Erzeugung und Messung von Elektron-Photon-Paaren in einem Transmissionselektronenmikroskop. Wenn zum Beispiel ein Elektron durch eine sehr dünne Siliziummembran fliegt, kann es ein Photon erzeugen. Durch die gleichzeitige Messung beider Teilchen zeigten wir, dass ihre Positionen und Impulse auf eine Weise verbunden sind, die klassisch nicht erklärt werden kann. Damit wurde erstmals Quantenverschränkung zwischen einem Elektron und einem Photon nachgewiesen. Des Weiterem nutzten wir diese Korrelationen für Ghost Imaging, auch Koinzidenzbildgebung genannt. Bei dieser Methode wechselwirkt ein Teilchen mit dem Objekt, während das andere die räumliche Information liefert, die zur Rekonstruktion des Bildes benötigt wird. In unserem Experiment untersuchte das Photon das Objekt, während das Elektron die Information trug, aus der das Bild rekonstruiert wurde. Damit konnten wir zeigen, dass Konzepte der photonischen Quantenbildgebung auf die Elektronenmikroskopie übertragen werden können. Zusätzlich entwickelten wir eine neue Methode, um solche Elektron-Photon-Verschränkung auch in realistischen Elektronenmikroskopieexperimenten nachzuweisen. Langfristig könnten diese Methoden helfen, mit weniger Elektronen mehr Information zu gewinnen, insbesondere bei strahlungsempfindlichen Materialien, biologischen Proben und in der Nanotechnologie.