שער לוגי קוונטי לאלקטרונים חופשיים

שער לוגי קוונטי לאלקטרונים חופשיים

צומת המקור: 2768981

סטפן לופלר1, תומס שצ'ינגר1,2, פיטר הארטל3, פנג-האן לו4,5, רפאל א' דונין-בורקובסקי4, מרטין אוברמאייר6, מנואל דריס6, דגמר גרטסן6, ופיטר שאטשניידר1,2

1מרכז שירות אוניברסיטאי למיקרוסקופיה של אלקטרונים העברה, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E057-02, 1040 Wien, אוסטריה
2המכון לפיזיקה של מצב מוצק, TU Wien, Wiedner Hauptstraße 8-10/E138-03, 1040 Wien, אוסטריה
3CEOS Corrected Electron Optical Systems GmbH, Englerstraße 28, 69126 Heidelberg, Germany
4ארנסט רוסקה-מרכז למיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה עם אלקטרונים (ER-C) ומכון פיטר גרינברג, Forschungszentrum Jülich, 52425 Jülich, גרמניה
5RWTH Aachen University, Ahornstraße 55, 52074 Aachen, גרמניה
6Laboratorium für Elektronenmikroskopie (LEM), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Engesserstraße 7, 76131 Karlsruhe, Germany

מצא את העיתון הזה מעניין או רוצה לדון? סקייט או השאירו תגובה ב- SciRate.

תַקצִיר

המטען הטופולוגי $m$ של אלקטרונים מערבולת משתרע על מרחב הילברט אינסופי. בחירת תת-מרחב דו מימדי המתפרש על ידי $m=pm 1$, אלקטרון קרן במיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת (TEM) יכול להיחשב כסיבית קוונטית (קווביט) המתפשטת בחופשיות בעמודה. שילוב של עדשות quadrupole אופטיות אלקטרוניות יכול לשמש כמכשיר אוניברסלי לתמרן קיוביטים כאלה לפי שיקול דעתו של הנסיין. הקמנו מערכת עדשות ליצירת TEM כשער קוונטי ומדגים את פעולתו באופן מספרי וניסיוני. TEMs מתקדמים עם מתקני סטייה הם פלטפורמה מבטיחה לניסויים כאלה, ופותחים את הדרך לחקר שערים לוגיים קוונטיים במיקרוסקופ אלקטרונים.

ניסוי הוכחת העיקרון הזה מראה שאלקטרונים חופשיים במיקרוסקופ אלקטרוני תמסורת (TEM) יכולים לשמש כקיוביטים, אבני הבניין למחשבים קוונטיים. אנו מדגימים שער לוגי קוונטי שיכול להפוך את הקיוביטים הללו ממצב אחד למשנהו. עם רזולוציה מרחבית עד לממדים אטומיים, ה-TEM מתאים באופן אידיאלי לחקר היסודות של מניפולציה קוונטית. בנוסף ליישומים האפשריים במחשוב קוונטי, מחקר זה גם סולל את הדרך לשיפור משמעותי ביעילות ה-TEM על ידי הפיכת קרן האלקטרונים למצב קוונטי אופטימלי עבור ניסוי נתון.

► נתוני BibTeX

► הפניות

[1] E. Rotunno, AH Tavabi, E. Yucelen, S. Frabboni, RE Dunin Borkowski, E. Karimi, BJ McMorran, and V. Grillo. עיצוב אלומת אלקטרונים במיקרוסקופ האלקטרונים ההולכה: בקרת התפשטות אלומת האלקטרונים לאורך עמודים אטומיים. פיזי. Rev. Appl., 11 (4): 044072, אפריל 2019. 10.1103/​physrevapplied.11.044072.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevapplied.11.044072

[2] J. Hammer, S. Thomas, P. Weber, and P. Hommelhoff. מפצל קרן מבוסס שבב מיקרוגל עבור אלקטרונים מונחי אנרגיה נמוכה. פיזי. Rev. Lett., 114 (25): 254801, 2015. 10.1103/​PhysRevLett.114.254801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.114.254801

[3] T. Schachinger, S. Löffler, A. Steiger-Thirsfeld, M. Stöger-Pollach, S. Schneider, D. Pohl, B. Rellinghaus, and P. Schattschneider. EMCD עם מסנן מערבולת אלקטרונים: מגבלות ואפשרויות. Ultramicroscopy, 179: 15–23, 2017. 10.1016/​j.ultramic.2017.03.019.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2017.03.019

[4] J. Verbeeck, H. Tian, ​​and G. Van Tendeloo. כיצד לתפעל ננו-חלקיקים באמצעות קרן אלקטרונים? עו"ד Mater., 25 (8): 1114–1117, 2013. 10.1002/​adma.201204206.
https://doi.org/​10.1002/​adma.201204206

[5] S. Franke-Arnold, L. Allen, and M. Padgett. התקדמות במומנטום זוויתי אופטי. Laser Photonics Rev., 2 (4): 299–313, 2008. 10.1002/​lpor.200810007.
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.200810007

[6] A. Babazadeh, M. Erhard, F. Wang, M. Malik, R. Nouroozi, M. Krenn, and A. Zeilinger. שערים קוונטיים חד-פוטונים במימד גבוה: מושגים וניסויים. פיזי. Rev. Lett., 119: 180510, נובמבר 2017. 10.1103/​PhysRevLett.119.180510.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.119.180510

[7] R. Juchtmans, A. Béché, A. Abakumov, M. Batuk, and J. Verbeeck. שימוש בקרני מערבולת אלקטרונים לקביעת כיראליות של גבישים במיקרוסקופ אלקטרוני שידור. פיזי. Rev. B, 91: 094112, Mar 2015. 10.1103/​PhysRevB.91.094112.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.91.094112

[8] GM Vanacore, I. Madan, G. Berruto, K. Wang, E. Pomarico, RJ Lamb, D. McGrouther, I. Kaminer, B. Barwick, FJ Garcia De Abajo, and F. Carbone. שליטה קוהרנטית של Attosecond של פונקציות גלי אלקטרונים חופשיים באמצעות שדות אור אינסופיים למחצה. נאט. Commun., 9 (1): 2694, 2018. 10.1038/​s41467-018-05021-x.
https: / doi.org/â € ‹10.1038 / s41467-018-05021-x

[9] A. Feist, KE Echternkamp, ​​J. Schauss, SV Yalunin, S. Schäfer, and C. Ropers. אפנון פאזה אופטי קוהרנטי קוונטי במיקרוסקופ אלקטרוני שידור מהיר במיוחד. טבע, 521 (7551): 200–203, 2015. 10.1038/​nature14463.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature14463

[10] C. Kealhofer, W. Schneider, D. Ehberger, A. Ryabov, F. Krausz, and P. Baum. בקרה אופטית ומטרולוגיה של פולסי אלקטרונים. Science, 352 (6284): 429–433, 2016. 10.1126/​science.aae0003.
https:/​/​doi.org/​10.1126/​science.aae0003

[11] N. Schönenberger, A. Mittelbach, P. Yousefi, J. McNeur, U. Niedermayer, and P. Hommelhoff. יצירה ואפיון של רכבות דופק אלקטרונים ב-Atosecond באמצעות האצת לייזר דיאלקטרית. פיזי. Rev. Lett., 123 (26): 264803, 2019. 10.1103/​PhysRevLett.123.264803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.264803

[12] KY Bliokh, YP Bliokh, S. Savel'ev, and F. Nori. דינמיקה חצי קלאסית של מצבי מנות גלי אלקטרונים עם מערבולות פאזה. פיזי. Rev. Lett., 99 (19), 2007. 10.1103/​PhysRevLett.99.190404.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.99.190404

[13] KY Bliokh, MR דניס, ו-F. Nori. אלומות מערבולת אלקטרונים יחסיות: תנע זוויתי ואינטראקציה ספין-מסלול. פיזי. Rev. Lett., 107 (17), 2011. 10.1103/​PhysRevLett.107.174802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.174802

[14] J. Verbeeck, H. Tian, ​​and P. Schattschneider. ייצור ויישום קרני מערבולת אלקטרונים. טבע, 467 (7313): 301–304, 2010. 10.1038/​nature09366.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature09366

[15] מ' אוצ'ידה וא' טונומורה. יצירת קרני אלקטרונים הנושאות תנע זוויתי מסלולי. נאט., 464: 737–739, 04 2010. 10.1038/​nature08904.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature08904

[16] KY Bliokh, P. Schattschneider, J. Verbeeck, and F. Nori. קרני מערבולת אלקטרונים בשדה מגנטי: טוויסט חדש ברמות לנדאו ומצבי אהרונוב-בוהם. פיזי. Rev. X, 2 (4): 041011, 2012. 10.1103/​PhysRevX.2.041011.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.2.041011

[17] P. Schattschneider, T. Schachinger, M. Stöger-Pollach, S. Löffler, A. Steiger-Thirsfeld, KY Bliokh, and F. Nori. הדמיית הדינמיקה של מצבי לנדאו האלקטרוני החופשי. נאט. Commun., 5: 4586, אוגוסט 2014. 10.1038/​ncomms5586.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms5586

[18] G. Guzzinati, P. Schattschneider, KY Bliokh, F. Nori, and J. Verbeeck. תצפית על סיבובי Larmor ו-Gouy עם קורות וורטקס אלקטרוניות. פיזי. Rev. Lett., 110: 093601, פברואר 2013. 10.1103/​PhysRevLett.110.093601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.110.093601

[19] T. Schachinger, S. Löffler, M. Stöger-Pollach, and P. Schattschneider. סיבוב מוזר של קרני מערבולת אלקטרונים. Ultramicroscopy, 158: 17–25, נובמבר 2015. ISSN 0304-3991. 10.1016/​j.ultramic.2015.06.004.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2015.06.004

[20] KY Bliokh, IP Ivanov, G. Guzzinati, L. Clark, R. Van Boxem, A. Béché, R. Juchtmans, MA Alonso, P. Schattschneider, F. Nori, and J. Verbeeck. תיאוריה ויישומים של מצבי מערבולת אלקטרונים חופשיים. פיזי. Rep., 690: 1–70, 2017. 10.1016/​j.physrep.2017.05.006.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.physrep.2017.05.006

[21] MV Larsen, X. Guo, CR Breum, JS Neergaard-Nielsen, ו-UL Andersen. יצירה דטרמיניסטית של מצב צביר דו מימדי. Science, 366 (6463): 369–372, 2019. 10.1126/​science.aay4354.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aay4354

[22] KR Brown, J. Chiaverini, JM Sage, and H. Häffner. אתגרי חומרים עבור מחשבים קוונטיים עם יונים לכודים. נאט. Rev. Mater., 6 (10): 892–905, 2021. 10.1038/​s41578-021-00292-1.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41578-021-00292-1

[23] M. Kjaergaard, ME Schwartz, J. Braumüller, P. Krantz, JI. וואנג, ס. גוסטבסון ו-WD אוליבר. קיוביטים מוליכים-על: מצב המשחק הנוכחי. אננו. הכומר קונדן. אִמָא. P., 11: 369–395, 2020. 10.1146/​annurev-conmatphys-031119-050605.
https: / / doi.org/ 10.1146 / annurev-conmatphys-031119-050605

[24] CE Bradley, J. Randall, MH Abobeih, RC Berrevoets, MJ Degen, MA Bakker, M. Markham, DJ Twitchen ו-TH Taminiau. אוגר ספין של עשרה קיוביטים במצב מוצק עם זיכרון קוונטי של עד דקה אחת. פיזי. Rev. X, 9 (3), 2019. 10.1103/​PhysRevX.9.031045.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.031045

[25] I. Buluta, S. Ashhab, and F. Nori. אטומים טבעיים ומלאכותיים לחישוב קוונטי. נציג פרוג. Phys., 74 (10): 104401, ספטמבר 2011. 10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​74/​10/​104401

[26] A. Chatterjee, P. Stevenson, S. De Franceschi, A. Morello, NP de Leon, and F. Kuemmeth. קיוביטים מוליכים למחצה בפועל. Nature Reviews Physics, 3 (3): 157–177, 2021. 10.1038/​s42254-021-00283-9. מצוטט על ידי: 91.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s42254-021-00283-9

[27] O. Reinhardt, C. Mechel, M. Lynch, and I. Kaminer. קיוביטים של אלקטרונים חופשיים. אן. Phys., 533 (2): 2000254, 2021. 10.1002/​andp.202000254.
https: / / doi.org/ 10.1002 / andp.202000254

[28] ר' רוימי, א' גורלך, סי' מכל, נ' ריברה, ואי קמינר. לקראת מדידות קוונטיות ברזולוציה אטומית עם אלקטרונים חופשיים בעלי צורה קוהרנטית. פיזי. Rev. Lett., 126 (23): 233403, יוני 2021. 10.1103/​physrevlett.126.233403.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.233403

[29] MV Tsarev, A. Ryabov, and P. Baum. קיוביטים של אלקטרונים חופשיים ופולסים אטו-שניות עם ניגודיות מקסימלית באמצעות תחייה של טלבוט זמני. פיזי. Rev. Research, 3 (4): 043033, Oct 2021. 10.1103/​physrevresearch.3.043033.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevresearch.3.043033

[30] ש' לופלר. אופרטורים קוונטיים יחידתיים של שני מצבים המוגשים על ידי שדות קוואדרופולים במיקרוסקופ האלקטרונים. Ultramicroscopy, 234: 113456, 2022. 10.1016/​j.ultramic.2021.113456.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113456

[31] P. Schattschneider, M. Stöger-Pollach, and J. Verbeeck. מחולל מערבולות חדשני וממיר מצבים עבור קרני אלקטרונים. פיזי. Rev. Lett., 109 (8): 084801, 2012. 10.1103/​PhysRevLett.109.084801.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.084801

[32] T. Schachinger, P. Hartel, P. Lu, S. Löffler, M. Obermair, M. Dries, D. Gerthsen, RE Dunin-Borkowski, and P. Schattschneider. מימוש ניסיוני של ממיר מצב מערבולת $pi/​2$ עבור אלקטרונים באמצעות מתקן סטייה כדורית. Ultramicroscopy, 229: 113340, 2021. 10.1016/​j.ultramic.2021.113340.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2021.113340

[33] ד קרלובץ. אלקטרונים מערבולת יחסיים: משטרים פרקסיאליים לעומת לא פרקסיאליים. פיזי. Rev. A, 98: 012137, יולי 2018. 10.1103/​PhysRevA.98.012137.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.012137

[34] L. Clark, A. Béché, G. Guzzinati, and J. Verbeeck. מדידה כמותית של תנע זוויתי של המסלול במיקרוסקופ אלקטרוני. סקירה פיזיקלית א' - פיזיקה אטומית, מולקולרית ואופטית, 89 (5): 053818, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.053818.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.053818

[35] G. Guzzinati, L. Clark, A. Béché, and J. Verbeeck. מדידת התנע הזוויתי המסלולי של קרני אלקטרונים. סקירה פיזיקלית א' - פיזיקה אטומית, מולקולרית ואופטית, 89 (2): 025803, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.025803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.025803

[36] BJ McMoran, TR Harvey ו-MPJ Lavery. מיון יעיל של תנע זוויתי של מסלול האלקטרון החופשי. New J. Phys., 19 (2): 023053, 2017. 10.1088/​1367-2630/​aa5f6f.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​aa5f6f

[37] V. Grillo, AH Tavabi, F. Venturi, H. Larocque, R. Balboni, GC Gazzadi, S. Frabboni, P.. Lu, E. Mafakheri, F. Bouchard, RE Dunin-Borkowski, RW Boyd, MPJ Lavery, MJ Padgett, and E. Karimi. מדידת ספקטרום התנע הזוויתי של קרן אלקטרונים. נאט. Commun., 8: 15536, 2017. 10.1038/​ncomms15536.
https: / / doi.org/ 10.1038 / ncomms15536

[38] G. Pozzi, V. Grillo, P. Lu, AH Tavabi, E. Karimi, and RE Dunin-Borkowski. עיצוב אלמנטים פאזה אלקטרוסטטית למיון התנע הזוויתי המסלולי של אלקטרונים. Ultramicroscopy, 208: 112861, 2020. 10.1016/​j.ultramic.2019.112861.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.112861

[39] AH Tavabi, P. Rosi, E. Rotunno, A. Roncaglia, L. Belsito, S. Frabboni, G. Pozzi, GC Gazzadi, P. Lu, R. Nijland, M. Ghosh, P. Tiemeijer, E. Karimi, RE Dunin-Borkowski, ו-V. Grillo. הדגמה נסיונית של סדרן תנע זוויתי מסלולי אלקטרוסטטי עבור קרני אלקטרונים. פיזי. Rev. Lett., 126 (9): 094802, Mar 2021. 10.1103/​physrevlett.126.094802.
https: / / doi.org/ 10.1103 / physrevlett.126.094802

[40] GCG Berkhout, MPJ Lavery, J. Courtial, MW Beijersbergen, ו-MJ Padgett. מיון יעיל של מצבי תנע זוויתי אורביטלי. פיזי. Rev. Lett., 105 (15): 153601, 2010. 10.1103/​PhysRevLett.105.153601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.153601

[41] C. Kramberger, S. Löffler, T. Schachinger, P. Hartel, J. Zach, and P. Schattschneider. ממירי מצב π/​2 ומחוללי מערבולת לאלקטרונים. Ultramicroscopy, 204: 27–33, ספטמבר 2019. 10.1016/​j.ultramic.2019.05.003.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2019.05.003

[42] A. Béché, R. Van Boxem, G. Van Tendeloo, and J. Verbeeck. שדה מונופול מגנטי שנחשף על ידי אלקטרונים. נאט. Phys., 10 (1): 26–29, דצמבר 2013. ISSN 1745-2481. 10.1038/​nphys2816.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys2816

[43] M. Dries, M. Obermair, S. Hettler, P. Hermann, K. Seemann, F. Seifried, S. Ulrich, R. Fischer, and D. Gerthsen. לוחות פאזה $text{aC}/​text{Zr}_{0.65}text{Al}_{0.075}text{Cu}_{0.275}/​text{aC}$ ללא תחמוצת עבור מיקרוסקופיה אלקטרונית העברה. Ultramicroscopy, 189: 39–45, יוני 2018. 10.1016/​j.ultramic.2018.03.003.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.03.003

[44] A. Lubk, L. Clark, G. Guzzinati, and J. Verbeeck. ניתוח טופולוגי של קרני מערבולת אלקטרונים מפוזרות פרקסיאלית. פיזי. Rev. A, 87: 033834, מרץ 2013. 10.1103/​PhysRevA.87.033834.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.87.033834

[45] AY Kitaev. חישוב סובלני לתקלות על ידי מישהו. אן. Phys., 303: 2–30, 2003. 10.1016/​S0003-4916(02)00018-0.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​S0003-4916(02)00018-0

[46] ח אוקמוטו. שגיאות מדידה במיקרוסקופיה אלקטרונית בעזרת הסתבכות. סקירה פיזיקלית א' - פיזיקה אטומית, מולקולרית ואופטית, 89 (6): 063828, 2014. 10.1103/​PhysRevA.89.063828.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.89.063828

[47] פ' שאטשניידר וס' לופלר. הסתבכות וחוסר קוהרנטיות במיקרוסקופיה אלקטרונית. Ultramicroscopy, 190: 39–44, 2018. 10.1016/​j.ultramic.2018.04.007.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2018.04.007

[48] P. Schattschneider, S. Löffler, H. Gollisch, and R. Feder. הסתבכות ואנטרופיה בפיזור אלקטרונים-אלקטרון. J. Electron Spectrosc. קשור. Phenom., 241: 146810, 2020. 10.1016/​j.elspec.2018.11.009.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.elspec.2018.11.009

[49] R. Haindl, A. Feist, T. Domröse, M. Möller, JH Gaida, SV Yalunin, and C. Ropers. מצבי מספר אלקטרונים בקורלציה של קולומב בקרן מיקרוסקופ אלקטרוני שידור. פיזיקת הטבע, 2023. 10.1038/​s41567-023-02067-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02067-7

[50] S. Meier, J. Heimerl, and P. Hommelhoff. מתאמים של מעט אלקטרונים לאחר פליטת פוטו מהירה במיוחד מקצות מחט ננומטריות. פיזיקת הטבע, 2023. 10.1038/​s41567-023-02059-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-023-02059-7

[51] M. Scheucher, T. Schachinger, T. Spielauer, M. Stöger-Pollach, and P. Haslinger. אפליה של קתודוluminescence קוהרנטית ובלתי קוהרנטית באמצעות מתאמי פוטון זמניים. Ultramicroscopy, 241: 113594, נובמבר 2022. 10.1016/​j.ultramic.2022.113594.
https:/​/​doi.org/​10.1016/​j.ultramic.2022.113594

[52] A. Konečná, F. Iyikanat, and FJ García de Abajo. סבך אלקטרונים חופשיים ועירורים אופטיים. Sci. עו"ד, 8 (47): eabo7853, נובמבר 2022. 10.1126/​sciadv.abo7853.
https:/​/​doi.org/​10.1126/​sciadv.abo7853

[53] S. Löffler, S. Sack, and T. Schachinger. התפשטות אלסטית של מערבולות אלקטרונים מהירות דרך חומרים אמורפיים. Acta Crystallogr. A, 75 (6): 902–910, 2019. 10.1107/​S2053273319012889.
https: / / doi.org/ 10.1107 / S2053273319012889

מצוטט על ידי

בול זמן:

עוד מ יומן קוונטים