以首次直接觀察到納米光晶體內光的動態

科技日報特拉維夫6月7日電 （記者毛黎）以色列理工大學近日表示，艾杜·卡米內爾教授及其團隊在量子科學領域取得了重大突破，研發出能記錄光流的量子顯微鏡，並利用它直接觀察束縛在光晶體內的光。相關研究發表在《自然》雜誌上。

卡米內爾説，他們研發出的超快透射電子顯微鏡是全球最先進的近場光學顯微鏡，用它可將不同波長的光源以不同角度照亮任何納米材料樣品，並繪製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，這是他們首次真實觀察到光束縛在納米材料中的動態，而非依靠計算機模擬。

新的研究突破具有眾多潛在應用前景，包括設計新的量子材料來存儲具有更高穩定性的量子比特，以及幫助提高手機和其他類型顯示屏的色彩鋭度。卡米內爾認為，利用極高分辨率的超快透射電子顯微鏡研究更先進的納米/量子材料，將產生更廣泛的影響。例如，當今世界上最先進的屏幕使用基於量子點的QLED技術，從而在更高清晰度情況下讓色彩對比度得以控制。但面臨的難題是如何在大尺寸屏幕上提高量子點的質量並使它們更均勻。新的研究將超越現有技術的能力，改善屏幕的分辨率和色彩對比。

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。加速器可將電子加速至光速的30%—70％，激光系統能產生功率40瓦且接近100飛秒的光脈衝。超快電子透射顯微鏡構成飛秒量級泵浦探針裝置，研究人員利用光脈衝激活納米材料樣品和利用電子脈衝探測樣品的瞬態，電子脈衝穿透樣品並對其成像。這種具有多維度能力的整體設置十分有助於全面瞭解納米級物體基本特徵。

過去，量子電動力學研究了量子物質與光腔模式之間的相互作用，這對構成量子技術基礎結構的基礎物理學的發展至關重要。但是迄今為止，所有實驗都只關注光與束縛電子系統（例如原子、量子點和量子電路）的相互作用，這些束縛電子系統在能量狀態、光譜範圍和選擇規則上均存在較大限制。

新突破的核心在於將超快自由電子和光相互作用的研究進展引入一種新型的量子物質，即量子自由電子“波包”。量子自由電子“波包”沒有束縛電子系統固有的限制。雖然對自由電子激發新的空腔效應存在着多種理論預測，但是由於相互作用的強度和持續時間的基本限制，因而以前從未觀察到自由電子的光子腔效應。