Holographie révolutionnaire utilise des électrons pour visualiser objets nanoscopiques au-delà des limites de la lumière

Des chercheurs utilisent des électrons en propagation libre pour voir comment la lumière se comporte au-delà des limitations de longueur d'onde. Ils ont pu développer une nouvelle méthode holographique qui capture des objets à l'échelle nanométrique. Cela peut ouvrir de nouvelles portes pour l'informatique quantique.

Le concept d'hologramme a été découvert pour la première fois en 1948, mais les scientifiques n'ont pas pu créer d'hologrammes jusqu'à l'invention d'une source de lumière appropriée, le laser, en 1960. Depuis lors, l'holographie s'est développée rapidement, tant dans les domaines de l'affichage que de l'imagerie scientifique.

L'holographie optique est devenue une méthode populaire pour l'imagerie 3D de matériaux macroscopiques et les applications de sécurité. Cependant, la résolution spatiale de cette méthode est limitée par la longueur d'onde de la lumière (1 micromètre). Ainsi, elle ne peut pas être utilisée pour imager des objets plus petits (à l'échelle nanométrique).

Récemment, des chercheurs de l'Institut fédéral de technologie suisse ont mis au point une technique qui les aide à observer comment la lumière se comporte au-delà des limitations de longueur d'onde (à l'échelle nanométrique). Ils ont utilisé un support photographique étrange — des électrons en propagation libre.

Les électrons interagissent avec la lumière

La direction de la lumière et des électrons libres est un paramètre crucial car contrairement à la photographie conventionnelle, elle est sensible à la phase de la lumière. Après avoir interagi avec la lumière, les électrons existent dans des états de superposition avec différentes énergies.

Référence : Science Advances | DOI:10.1126/sciadv.aav8358 | EPFL

Si ces électrons interagissent avec une autre impulsion laser, leurs états changent rapidement en fonction du plus petit délai entre les deux, exhibant une distribution d'énergie très différente. Les chercheurs construisent une carte des distributions d'énergie pour déterminer avec précision la position de la lumière à un moment donné.

Électrons en propagation libre interagissent avec la lumière et changent d'état | Avec l'aimable autorisation des chercheurs

En fait, ils ont utilisé ce principe physique pour créer un film en temps réel de la propagation d'une onde lumineuse dans des nanostructures à la plus fine résolution temporelle et spatiale.

Une voie pour l'informatique quantique

Afin d'isoler les faisceaux électroniques de référence et d'imagerie en énergie, les chercheurs ont utilisé la nature quantique de l'interaction électron-lumière. Cela leur a permis de chiffrer des données sur la fonction d'onde de l'électron, en utilisant des impulsions lumineuses. Il est possible de mapper des données avec la microscopie électronique à transmission ultrarapide.

Dans l'ensemble, cette nouvelle technique a 2 avantages majeurs :

1. Imagerie des champs électromagnétiques avec une précision nanométrique et attoseconde dans l'espace et le temps.
2. Elle peut être appliquée aux applications d'informatique quantique pour ajuster les caractéristiques quantiques des électrons libres.

L'approche fournit la plus haute résolution spatiale que toute autre technique existante. Jusqu'à présent, la technologie était limitée aux instruments optiques microscopiques qui utilisent des photons en propagation libre.

C'est la première étape pour intégrer et miniaturiser les équipements lumineux sur circuits intégrés. L'étude ouvre également la possibilité de mieux comprendre comment la lumière se comporte dans les ordinateurs photoniques, les nanoparticules et les atomes.