14.09.2022

Elektronen und Photonen verkuppelt

Ringresonator lässt korrelierte Elektron-Photon-Paare entstehen.

Quantentechnologien benötigen mitunter einzelne Teilchen, etwa Photonen, mit speziellen Eigenschaften. Exakt einzelne Teilchen zu erhalten, ist jedoch aufwendig und bedarf komplexer Methoden. Wissenschaftler des Göttinger Max-Planck-Instituts (MPI) für Multi­disziplinäre Natur­wissenschaften, der Universität Göttingen und der Schweizer École Poly­technique Fédérale de Lausanne (EPFL) gelang es nun, einzelne freie Elektronen und Photonen in einem Elektronen­mikroskop miteinander zu koppeln.

 

Abb.: Ein optischer Chip mit Mikro-Ring­resonator und einer...
Abb.: Ein optischer Chip mit Mikro-Ring­resonator und einer Glasfaser­kopplung. Der Chip ist nur drei Millimeter breit, der Ring­resonator an seiner Spitze hat einen Radius von 0,114 Milimeter. (Bild: A. Feist, MPINAT)

In dem Göttinger Experiment passiert der Strahl eines Elektronenmikroskops einen integrierten optischen Chip, den das Schweizer Team hergestellt hat. Dieser Chip besteht aus einer Glasfaser­kopplung und einem ringförmigen Resonator, der sich bewegende Licht­teilchen auf einer Kreisbahn hält. „Wenn ein Elektron mit dem anfangs leeren Resonator wechselwirkt, wird ein Photon erzeugt“, erklärt Armin Feist, Wissenschaftler am MPI und einer der Erstautoren der Studie. „Dabei verliert das Elektron genau die Energiemenge, die das Photon benötigt, um quasi aus dem Nichts im Resonator zu entstehen: Die beiden Teilchen sind durch ihre Wechselwirkung miteinander verbunden und bilden ein Elektron-Photon-Paar.“ Mit einem weiterentwickelten Messverfahren konnte das Team die beteiligten Teilchen und deren gleichzeitiges Erscheinen präzise nachweisen.

„Das Besondere der Elektron-Photon-Paare ist, dass nur ein Teilchen gemessen werden muss, um Informationen über Energiegehalt und zeitliches Auftreten des zweiten zu erhalten“, betont Germaine Arend, Doktorandin am MPI und ebenfalls Erstautorin der Studie. Die Forscher können also zur selben Zeit ein Quanten­teilchen in einem Experiment nutzen und das andere zur Kontrolle vermessen. Dies ist für viele Anwendungen in der Quanten­technologie notwendig.

Max-Planck-Direktor Claus Ropers sieht in den Elektron-Photon-Paaren eine neue Chance für die Quanten­forschung: „Die Methode eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten in der Elektronen­mikroskopie. Im Bereich der Quantenoptik verbessern verschränkte Photonen­paare bereits die Bildgebung. Mit unserer Arbeit können solche Konzepte nun auch mit Elektronen erforscht werden.“ Tobias Kippenberg, Professor an der EPFL, ergänzt: „Zum ersten Mal bringen wir freie Elektronen in den Werkzeugkasten der Quanten­informations­wissenschaft. Im weiteren Sinne könnte die Kopplung von freien Elektronen und Licht mithilfe der integrierten Photonik den Weg zu einer neuen Klasse von hybriden Quanten­technologien eröffnen.“

MPINAT / DE

 

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