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开户送58体验金官网:科研进展|上科大物质学院潘义明课题组观测到一种基于弱测量的超快电子量子经典转变

时间:2023-11-23浏览:86设置


近日,上科大物质学院光子科学与凝聚态物理研究部义明教授 LiFE(light and free electron group,光和自由电子)课题组国际合作团队开展研究,提出了一种基于弱测量理论(weak measurement)的新型的量子经典转变过程。该转变过程不同于退相干(decoherence)理论的量子经典转变,并分别在超快透射电子显微镜(UTEM)和电介质激光加速器(DLA)系统中得到了检验。该成果近期发表于学术期刊《光:科学与应用》Light: Science & Applications。

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文章在线发表

通常来说,实验学家的日常主要是数据测量,用测量来验证理论模型。理论学家构造理论,很少做测量,却热衷于“测量理论”。但测量是什么?经典测量到量子测量的差别是什么,他们的转变是如何发生的?问题对于量子力学的基础和应用都至关重要。在此,潘义明教授课题组开发了一个新的基于测量的框架,用于描述经典和量子自由电子-光子相互作用的特征,然后对其进行实验测试。课题组首先分析了一般光-物质相互作用中从投影测量到弱测量的转变,并证明任何经典的电子激光相互作用都可以表示为弱测量的结果。经典点粒子激光加速就是量子弱测量的一个例子。课题组通过定义一个通用系数来量化了测量系统及其从量子到经典的转变,从而表征了电子波包尺寸与光波长的比值。这一理论结果在光子诱导的近场电子显微镜(PINEM, UTEM)和电介质激光加速器(DLA)的经典加速机制中都得到了实验验证。潘义明课题组在测量框架和实验验证方面的工作为量子电动力学向经典电动力学的过渡提供了新的启示,使人们能够在量子测量中利用光和电子的波粒二象性本质,探索和应用许多量子和经典光物质相互作用。

图一:基于自由电子波函数和光子相互作用的经典和量子测量框架。课题组科研人员把电子(经典或者量子图像)当做测量仪器,把光场当做被测系统,利用弱测量的理论统一了量子电动力学到经典电动力学的转变过程。当光场是相干态,电子波函数趋于点粒子时,科研人员可以进行弱测量,得到电子加速图像,也就是经典测量的结果。但是如果光场是Fock态,电子是平面波时,科研人员则只能强测量,得到电子的单光子吸收和发射图像。


潘义明课题组详细考虑了四种电子-光子相互作用的测量图像,分别对应于 '经典电子-经典光子'、'经典电子-量子光子'、'量子电子-经典光子 '和 '量子电子-量子光子'。利用统一的测量转换理论框架来捕捉所有这些相互作用类型,课题组将上述所有物理现象定义为弱测量或投影测量的结果。然后,通过一个通用因子来表征测量过渡过程,即可在任何展示光物质相互作用的实验中定量验证课题组的测量理论。此外,课题组的工作在实验中揭示了从弱测量到投影测量的连续转变,并解释 DLA 和 PINEM 等常见方案中量子到经典的转变。未来对这些光和物质相互作用过程的研究还可能推广到特殊结构波(光束,电子束等),量子光源以及超快脉冲源等。

图二:自由电子和光子的测量在量子(PINEM)和经典(DLA)情况下的实验结果。a 利用棱镜介导的激光-近场电子相互作用获得 PINEM 光谱的UTEM示意图。b 利用两个光栅(调制器和分析器)获得电子净加速度的基于 DLA 的示意图。数据(下图)与平面波极限宽电子的 PINEM 理论非常吻合。d 左图显示了净能量转移与调制器峰值场的函数关系,以及 207 MV/m 的恒定分析器峰值场。这里的最大调制器场强为 224 MV/m,束状脉冲持续时间约为 1.1 fs,大大小于光学周期(6.45 fs),从而显示了束状电子的点粒子经典性。右图显示了调制器峰值场为 224 MV/m 时加速峰值和最大 5% 的能量增益。两者都与分析仪的场强成线性关系,表明光子系统的弱测量特征。

本项研究由开户送58体验金官网物质学院潘义明教授、以色列巴伊兰大学(Bar Ilan University)Eliahu Cohen教授、上海光机所王康鹏研究员、以色列理工学院(Technion-Israel Institute of Technology)Ido Kaminer教授、德国埃尔朗根-纽伦堡大学(Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg)Peter Hommelhoff教授、特拉维夫大学(Tel Aviv University)大学Yakir Aharonov教授(注:AB效应提出者之一)等理论组和实验组共同完成的。潘义明为第一作者兼通讯作者,Eliahu Cohen教授为共同通讯。

潘义明LiFE课题组主页:

/pym/list.htm


文章标题:
Weak measurements and quantum-to-classical transitions in free electron–photon interactions
文章链接(点击“阅读原文”直达):
https://www.nature.com/articles/s41377-023-01292-2
Journal: 
Light: Science & Applications. DOI: 10.1038/s41377-023-01292-2
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