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扫描电子显微镜中的量子相干光-电子相互作用

Quantum-Coherent Light-Electron Interaction in a Scanning Electron Microscope.

作者信息

Shiloh R, Chlouba T, Hommelhoff P

机构信息

Physics Department, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Staudtstraße 1, 91058 Erlangen, Germany.

出版信息

Phys Rev Lett. 2022 Jun 10;128(23):235301. doi: 10.1103/PhysRevLett.128.235301.

DOI:10.1103/PhysRevLett.128.235301
PMID:35749196
Abstract

The last two decades experimentally affirmed the quantum nature of free electron wave packets by the rapid development of transmission electron microscopes into ultrafast, quantum-coherent systems. So far, all experiments were restricted to the bounds of transmission electron microscopes enabling one or two photon-electron interaction sites. We show the quantum coherent coupling between electrons and light in a scanning electron microscope, at unprecedentedly low, subrelativistic energies down to 10.4 keV. These microscopes not only afford the yet-unexplored energies from ∼0.5 to 30 keV providing the optimum electron-light coupling efficiency, but also offer spacious and easily configurable experimental chambers for extended, cascaded optical set ups, potentially boasting thousands of photon-electron interaction sites. Our results make possible experiments in electron wave packet shaping, quantum computing, and spectral imaging with low-energy electrons.

摘要

过去二十年,透射电子显微镜迅速发展成为超快、量子相干系统,通过实验证实了自由电子波包的量子性质。到目前为止,所有实验都局限于透射电子显微镜的范围,只能实现一两个光子 - 电子相互作用位点。我们展示了在扫描电子显微镜中,电子与光之间的量子相干耦合,其能量低至前所未有的亚相对论能量,低至10.4 keV。这些显微镜不仅提供了尚未探索的约0.5至30 keV的能量范围,具有最佳的电子 - 光耦合效率,还提供了宽敞且易于配置的实验腔室,用于扩展的、级联光学装置,可能拥有数千个光子 - 电子相互作用位点。我们的结果使利用低能电子进行电子波包整形、量子计算和光谱成像的实验成为可能。

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