超快SEM中的量子相幹電子 - 光耦合.由紫外激光脈沖（紫色）發射的電子通過商業SEM的柱傳播。電子束（綠色）聚焦在鎢針尖端（插入）附近，在那裡它與由1030nm激光脈沖激發的光學近場相互作用，通過SEM樣品室中的CF-100窗口耦合到SEM中。非球面聚焦透鏡（未顯示）距離刀尖25 mm，位于腔室内。電子光譜通過基于Omega濾波器的自制緊湊型雙級扇形電子能譜儀記錄，放置在SEM内部。光譜儀的色散平面被成像到微通道闆探測器上，其熒光屏用CMOS相機從真空室外部進行光學記錄。一個示例圖像（右下角插圖），其中單個電子計數（黑點）和光子階（垂直虛線）可以很容易地被眼睛看到。PINEM光譜是通過垂直積分相機圖像獲得的[38]。非相幹平均實驗光譜（黑色），原始的，分檔的數據（藍色），顯示24個PINEM目，每側12個，這是我們觀察到的最大值。圖片來源：物理評論信（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.235301

弗裡德裡希-亞曆山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學（FAU）的物理學家設計了一個框架，允許科學家使用傳統的掃描電子顯微鏡觀察光和電子之間的相互作用。該程序比迄今為止使用的技術便宜得多，并且還可以進行更廣泛的實驗。研究人員在《物理評論快報》雜志上發表了他們的發現。

量子計算機隻是一個例子，說明理解光子和電子之間相互作用的基本過程是多麼重要。結合超短激光脈沖，可以測量光子如何改變電子的能量和速度。到目前為止，這種光子誘導的電子顯微鏡（PINEM）完全依賴于透射電子顯微鏡（TEM）。雖然這些具有精确定位單個原子的分辨率，但它們比掃描電子顯微鏡（SEM）昂貴得多，并且它們的樣品室非常小，隻有幾立方毫米的大小。

測量差異到整個整體的幾十萬分之幾

Peter Hommelhoff教授的激光物理系主任的研究人員現在已經成功地修改了傳統的SEM來進行PINEM實驗。他們設計了一種基于磁力的特殊光譜儀，該光譜儀直接集成到顯微鏡中。其基本原理是磁場根據電子的速度或多或少地轉移電子。使用将電子碰撞轉化為光的探測器，可以給出這種偏差的準确讀數。這種方法使研究人員能夠測量能量的最小變化，最高隻能測量原始值的幾十萬分之一的差異 - 足以區分單個光能量子的貢獻 - 光子。

未來可能進行更廣泛的實驗

埃爾蘭根物理學家的發現在很多方面都是開創性的。從财務角度來看，能夠在不使用TEM的情況下研究光子 - 電子相互作用，耗資數百萬歐元，可以使研究更容易獲得。此外，由于SEM的腔室通常具有高達20立方厘米的體積，因此現在可以進行更廣泛的實驗，因為額外的光學和電子元件（例如透鏡，棱鏡和鏡子）可以直接放置在樣品旁邊。研究人員預計，在幾年内，整個微觀量子實驗領域将從TEM轉向SEM。

更多信息：R. Shiloh等人，掃描電子顯微鏡中的量子 - 相幹光 - 電子相互作用，物理評論快報（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.235301

期刊信息：物理評論快報

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