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Si vous demandez aux gens ce qu’est un hologramme, ils décriront probablement les projections de lumière en 3D de films de science-fiction – telles que la vision de la princesse Leia flottant dans l’espace libre dans le film de 1977. Guerres des étoiles. De telles projections deviennent une réalité, mais l’objectif initial de l’holographie en science est sans doute plus banal: enregistrer une propriété de champs de vagues appelée phase, qui définit le schéma des sommets et des creux d’une onde progressive à un moment donné. Pour de nombreux physiciens, ce concept est tout aussi excitant qu'un hologramme de science-fiction. Madan et al. signaler de nouveaux types d'hologrammes produits par la diffusion d'électrons par des champs lumineux. Non seulement ces résultats élargissent le champ de l'holographie électronique, mais ils permettent également de déterminer l'amplitude et la phase des ondes électromagnétiques (lumière).
L’holographie est une technique de mesure largement utilisée en microscopie électronique qui exploite le caractère ondulatoire des électrons.. Dans cette technique, deux parties d'un faisceau d'électrons se chevauchent pour créer un motif d'interférence en bandes (l'hologramme). La différence de phase des deux faisceaux peut être extraite de ce motif. Étant donné que les champs électriques et magnétiques peuvent affecter les phases des faisceaux d'électrons qui les traversent, l'holographie en microscopie électronique peut être utilisée pour cartographier de manière quantitative ces champs avec une résolution spatiale extrêmement élevée, allant jusqu'au nanomètre.
Cependant, Madan et al. voulait mesurer la phase des ondes lumineuses oscillantes. À cette fin, ils ont mis au point une méthode holographique reposant sur un principe différent de celui utilisé en microscopie électronique conventionnelle: la modulation de l’interférence quantique entre électrons par des champs lumineux oscillants. Voyons le mécanisme physique par lequel les électrons interagissent avec la lumière dans les expériences des auteurs.
Si un flux d'électrons rapides traverse un champ électromagnétique oscillant, certains accélèrent, tandis que d'autres décélèrent en fonction du moment où ils entrent et sortent du champ. Les mesures de la distribution de vitesse des électrons qui ont traversé un tel champ ont révélé que les électrons captent ou perdent de l'énergie en quantités quantifiées – en particulier, en multiples de l'énergie des photons dans le champ lumineux,. La taille de l'effet augmente avec l'intensité de la lumière, relation qui est utilisée comme base d'une technique appelée microscopie électronique en champ proche induite par photon (PINEM) pour cartographier les intensités lumineuses autour de nanoparticules et autres petites structures..
Pour mesurer la phase des ondes lumineuses dans les expériences PINEM, une certaine forme d’interférence doit être générée. Madan et al. a créé de telles interférences en effectuant des expériences PINEM sur des échantillons de géométries différentes et dans lesquels les électrons interagissaient avec plusieurs ondes lumineuses. Certaines de ces implémentations impliquaient des électrons volant séquentiellement à travers deux champs lumineux séparés dans l'espace. Comme il a été montré précédemment, la phase relative de ces deux champs détermine la force des interactions combinées électron-lumière: les champs en phase peuvent améliorer l’interaction dans une sorte d’interférence constructive, alors que les deux champs peuvent s’annuler s’ils ont des phases opposées.
Dans peut-être l'expérience la plus frappante du papier, Madan et al. illuminé une ouverture dans un film métallique pour produire des ondes appelées polaritons de plasmons de surface (SPP), qui sont essentiellement des champs lumineux liés à la surface du métal (Fig. 1). Le faisceau d'électrons a traversé et interagi avec ces SPP et avec des champs du côté opposé du film. Cela a créé un motif d'interférence en forme de spirale qui codait les phases relatives des champs lumineux à chaque position sur le film et contenait donc des informations holographiques. Lorsque les auteurs ont incliné le film dans le faisceau d'électrons, la spirale a été déformée de manière à refléter les différentes directions de propagation des SPP – un peu comme le son d'une sirène d'ambulance est différent selon que le véhicule roule ou non. ou loin de vous.
Des modèles d'interférence similaires ont déjà été observés dans des expériences dans lesquelles des champs lumineux conduisent à l'émission d'électrons à partir de surfaces, mais il existe des différences conceptuelles essentielles entre ces expériences et les travaux en cours. Plus précisément, certains des hologrammes de la présente étude résultent de l'interférence mécanique quantique des faisceaux d'électrons, plutôt que de l'interférence d'ondes lumineuses croisées. Dans l’étude de Madan et de ses collègues, il est intéressant de noter que les électrons servent de médiateur aux interférences entre les ondes lumineuses qui ne se chevauchent pas. En d’autres termes, les informations de phase optique sont imprimées sur un électron à un endroit, puis «lues» par un deuxième champ lumineux à un emplacement différent.
La possibilité d'utiliser des électrons pour transporter des informations de phase optique ouvre potentiellement de nombreuses applications en microscopie électronique et au-delà. Par exemple, il devrait être possible d'utiliser de telles informations de phase pour mesurer la réponse optique d'émetteurs de lumière quantique simples ou couplés incorporés dans des solides, tels que des atomes individuels, des molécules ou des défauts ponctuels dans un cristal. Faire en sorte que les électrons interagissent avec des séquences d'impulsions laser plus compliquées que dans l'expérience actuelle et avec plusieurs couleurs de lumière pourrait faciliter des formes entièrement nouvelles de spectroscopie électronique. Combiné avec des méthodes de structuration temporelle des faisceaux d'électrons induite par la lumière–Les approches holographiques de Madan et de ses collègues pourraient permettre d’étudier le comportement de matériaux sur des échelles de temps plus courtes que celles d’un cycle de lumière unique (l’échelle attoseconde) et avec la résolution spatiale d’un microscope électronique.
Il reste à voir si des applications plus ambitieuses des nouvelles découvertes vont se matérialiser, dans lesquelles des faisceaux d'électrons sont utilisés dans le cadre de systèmes de communication quantiques, voire dans le calcul quantique. De telles technologies nécessiteraient probablement le couplage contrôlé ou la corrélation quantique de multiples électrons libres les uns avec les autres, ce qui n’a pas encore été réalisé. Dans l’intervalle, le travail de Madan et de ses collègues représente un progrès passionnant dans la manipulation des électrons par la lumière.
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