量子力学の基本法則によれば、すべての粒子は波動性も持っています。素粒子に関連する特徴的な波長は、その質量と速度に依存します。非常に軽い物体ではあるが、非常に高速な電子は関連する波長が非常に短いため、高解像度の顕微鏡実験に最適です。電子をイメージング粒子として使用すると、材料内の個々の原子を分解できます。
従来の光による画像処理では、さまざまな色の光が写真フィルムにどれだけ当たるかを測定して、物体の 2 次元画像を生成します。オブジェクトの 3 次元情報を取得するには、代わりにホログラフィーが使用されます。従来のホログラフィーでは、2 つの光ビームを使用して、物体によって散乱された光の強度と色の情報だけでなく、位相情報も取得します。位相は、光子の波周期内のポイントの位置を指定し、情報の深さと相関します。つまり、オブジェクトによって散乱された光の位相を記録すると、単純な写真では取得できない完全な 3D 形状を取得できます。これが光ホログラフィーの基礎であり、スターウォーズのような SF 映画の派手なホログラムによって普及しました。実際には、2 つのビームは空間的に分離されています。 1 つはリファレンスとして使用され、もう 1 つはイメージングに使用されます。
電子に関連する波長は通常の光子の波長よりもはるかに短いため、電子ホログラフィーは、はるかに小さな 3 次元物体を解像することができ (図 1 を参照)、ナノ粒子内の個々の原子を直接画像化できます。電子ホログラフィーと光ホログラフィーの両方の技術で、物体の静的な 3D 画像が生成されます。
現在の課題の 1 つは、これらの方法をさらに発展させて空間分解能と時間分解能の両方を提供し、急速に変化するオブジェクトの振幅と位相の情報を取得できるようにすることです。スイスの EPFL の超高速顕微鏡と電子散乱の研究室で、研究者はアト秒 (10-18 秒) の時間分解能でナノメートルの空間スケールまで微細なディテールを解像できる新しいホログラフィック手法を開発しました。この成果を実証するために、彼らはナノサイズのアンテナでの光の伝搬を撮影しました。
この方法自体は、電子ホログラフィーの風変わりな実装です。参照ビームとイメージング ビームに 2 つの空間的に分離された電子の流れを使用する代わりに、電子の波動関数を異なるエネルギー レベルに分割する光の能力を利用しました。異なるエネルギーの電子は、参照ビームと画像ビームの両方として機能します。これは、画像ビームと参照ビームが空間で分離されている従来のホログラフィとは異なります。この方法の利点は、光を使用して電子ビームの分割をアト秒単位で動的に制御できることです。
この技術のもう 1 つの利点は、光が電子の波動関数のエネルギーを分割する一方で、制御可能な量子情報をその上にインプリントできることです。この情報は、画像化されたホログラフィック パターンにエンコードされます。これは、光パルスを使用して操作できるホログラムに多次元の量子情報を格納する可能性を原理的に与えるため、量子計算に新しい展望を提供します。
この新しい方法の核心は、個々の電子の波動関数を操作する光パルスの能力にあります。このような能力は、文字通りそれらをねじって、いわゆる渦電子ビームを得るためにさらに利用することもできます.
渦は、竜巻、サイクロン、銀河から素粒子に至るまで、自然界では非常に一般的であり、コルク抜きの先端のように固定軸の周りを渦巻くときに渦のような性質を獲得できます。粒子がこのように移動すると、「渦ビーム」と呼ばれるものが形成されます。これらのビームは、粒子が明確に定義された軌道角運動量を持っていることを意味するため、非常に興味深いものです。これは、固定点の周りの粒子の回転を表します。
素粒子の固有の特性が変更されたため、他のオブジェクトとの相互作用も変化します。これは、渦ビームが新しい放射線/物質相互作用を提供できることを意味します。最近、例えば、渦ビームが磁場に対する感度を高めていることが示されている。別の有望な可能性は、そのようなビームが、医療処置 (放射線療法など) における放射線と組織間の相互作用のための新しい吸収チャネルを可能にすることです。さらに、制御された方法で素粒子をねじることは、その内部構造を明らかにするのにも役立ちます。たとえば、中性子の内部構造に関する洞察は、同様の方法によって明らかにされています。
一般に、粒子の波動関数の変調は「パッシブ フェーズ マスク」を使用して行われます。これは、通過する波を変調する、水中に立っている障害物と考えることができます。たとえば、シンクの穴のような適切な位相マスクは、渦巻きの形成をもたらす可能性があります。これまでのところ、物理学者はパッシブ フェーズ マスク法を使用して、電子と中性子の渦ビームを作成してきました。
しかし今、EPFL のファブリツィオ カーボンの研究室の科学者たちは、光を使って個々の電子の波動関数を動的にねじることが可能であることを初めて実証しました。研究者は超短渦電子ビームを生成し、その渦度をアト秒 (10 ～ 18 秒) の時間スケールでアクティブに切り替えることができました。
これを行うために、彼らは必要な位相マスクを生成するために非常に強力な局所光フィールドを使用しました。超短電子パルスを発射し、光場の最大強度に同期させると、波動関数がねじれます (図 4 を参照)。
これらの実験から多くの実用的なアプリケーションがあります。超高速渦電子ビームを使用して、量子情報をエンコードおよび操作できます。また、電子の軌道角運動量を磁性材料のスピンに転送して、データ ストレージ用の新しいデバイスのトポロジカル電荷を制御できます。しかし、さらに興味深いことに、光を使用して動的に物質波を「ねじる」ことは、医学療法で使用されるような陽子またはイオンビームを成形する新しい視点を提供し、選択的な組織アブレーションに非常に役立つ可能性のある新しい放射線-物質相互作用メカニズムを可能にする可能性があります
