Au cours des dernières décennies, le domaine de la microscopie a évolué à tel point qu’aujourd’hui, de la microscopie optique à la microscopie à force atomique, les techniques d’observation permettent de sonder le cœur de la matière avec une précision redoutable. Mais ces techniques peuvent toujours être perfectionnées et optimisées. C’est ce qu’a fait une équipe de chercheurs israéliens en mettant au point un nouveau type de microscopie quantique reposant sur les interactions entre électrons libres et cavités photoniques. Cette nouvelle méthode de microscopie pourrait déboucher sur la conception de systèmes quantiques de stockage et d’imagerie plus efficaces. 

Ido Kaminer et son équipe ont fait une percée extrêmement importante dans le domaine de l’observation quantique : un microscope quantique qui enregistre le flux de lumière, permettant l’observation directe de la lumière piégée à l’intérieur d’un cristal photonique. Leur recherche a été publiée dans la revue Nature. Toutes les expériences ont été réalisées à l’aide d’un microscope électronique à transmission ultrarapide unique au Technion-Israel Institute of Technology. Le microscope est le plus récent et le plus polyvalent d’une poignée qui existe dans le monde.

« Nous avons développé un microscope électronique qui produit ce qui est à bien des égards la meilleure microscopie optique en champ proche au monde. En utilisant notre microscope, nous pouvons changer la couleur et l’angle de la lumière qui illumine n’importe quel échantillon de nano matériaux et cartographier leur interaction avec les électrons, comme nous l’avons démontré avec les cristaux photoniques », explique Kaminer. « C’est la première fois que nous pouvons réellement voir la dynamique de la lumière alors qu’elle est piégée dans des nanomatériaux, plutôt que de s’appuyer sur des simulations informatiques », ajoute Kangpeng Wang.

Optimiser et mettre au point de nouveaux systèmes quantiques de stockage et d’imagerie

Cette percée est susceptible d’avoir de nombreuses applications potentielles, y compris la conception de nouveaux matériaux quantiques pour stocker des bits quantiques avec une plus grande stabilité. De même, la technologie peut aider à améliorer la netteté des couleurs sur les téléphones portables et autres types d’écrans. « Il aura un impact encore plus large une fois que nous étudierons des matériaux nano/quantiques plus avancés. Nous avons un microscope à très haute résolution et nous commençons à explorer les prochaines étapes », indique Kaminer.

apparence microscope

Le microscope devrait permettre l’élaboration de nouveaux systèmes de stockage et d’imagerie quantiques. Crédits : American Technion Society

« Par exemple, les écrans les plus avancés au monde utilisent aujourd’hui la technologie QLED basée sur des points quantiques, ce qui permet de contrôler le contraste des couleurs à une définition beaucoup plus élevée. Le défi est de savoir comment améliorer la qualité de ces petits points quantiques sur de grandes surfaces et les rendre plus uniformes. Cela améliorera la résolution d’écran et le contraste des couleurs encore plus que ne le permettent les technologies actuelles ».

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Le microscope électronique à transmission ultrarapide du laboratoire AdQuanta de Kaminer a une tension d’accélération qui varie de 40 kV à 200 kV (accélère les électrons à 30-70% la vitesse de la lumière), et un système laser avec moins de 100 impulsions femtosecondes à 40 Watts. Le microscope électronique à transmission ultrarapide est une configuration pompe-sonde femtoseconde qui utilise des impulsions lumineuses pour exciter l’échantillon et des impulsions électroniques pour sonder l’état transitoire de l’échantillon. Ces impulsions électroniques pénètrent l’échantillon et l’imagent. L’inclusion de capacités multidimensionnelles dans une configuration est extrêmement utile pour la caractérisation complète des objets à l’échelle nanométrique.

Nouveau comportement quantique de la matière : les interactions électrons libres-cavité photonique

Au cœur de cette percée se trouve le fait que les progrès de la recherche sur les interactions ultrarapides électrons libres-lumière ont introduit un nouveau type de comportement quantique : les « paquets d’ondes » d’électrons libres quantiques. Dans le passé, l’électrodynamique quantique (QED) a étudié l’interaction de la matière quantique avec les modes de cavité de la lumière qui a été cruciale dans le développement de la physique sous-jacente qui constitue l’infrastructure des technologies quantiques.

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Cependant, jusqu’à présent, toutes les expériences se sont concentrées uniquement sur la lumière interagissant avec les systèmes à électrons liés — tels que les atomes, les points quantiques et les circuits quantiques — qui sont considérablement limités dans leurs états d’énergie fixes, leur gamme spectrale et leurs règles de sélection. Les paquets d’ondes à électrons libres quantiques, cependant, n’ont pas de telles limites. Malgré de multiples prédictions théoriques de nouveaux effets de cavité avec des électrons libres, aucun effet de cavité photonique n’a été observé auparavant pour les électrons libres, en raison de limites fondamentales sur la force et la durée de l’interaction.

schema microscope

Schéma d’acquisition de l’image par le nouveau microscope avec zoom sur les interactions électrons libres-cavité photonique. Crédits : Kangpeng Wang et al. 2020

Kaminer et son équipe ont développé une plateforme expérimentale pour l’étude multidimensionnelle des interactions des électrons libres avec les photons à l’échelle nanométrique. Leur microscope unique a enregistré des cartes optiques en champ proche en utilisant la nature quantique des électrons, qui a été vérifiée en observant les oscillations Rabi du spectre électronique qui ne peuvent pas être expliquées par la théorie classique pure.

Des interactions électrons libres-cavité-photon plus efficaces pourraient permettre un couplage fort, une synthèse d’état quantique des photons et de nouveaux phénomènes non linéaires quantiques. Le domaine de la microscopie électronique et d’autres domaines de la physique des électrons libres peuvent bénéficier de la fusion avec des cavités photoniques, permettant la microscopie électronique ultrarapide à faible dose de matière molle ou d’autres matériaux sensibles au faisceau.

Sources : Nature

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