Electron-Heralded Parametric Photon Generation

by Germaine Arend
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-03-06
Date of issue:2025-10-23
Advisor:Prof. Dr. Claus Ropers
Referee:Prof. Dr. Claus Ropers
Referee:Prof. Dr. Tim Salditt
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11575

 

 

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Abstract

English

Recent research on quantum phenomena has shown great potential to enhance modern technology by increasing computation speed and enabling secure data encryption. Its underlying technological advancements rely on the efficient generation of tailored "quantum optical states", typically generated through nonlinear optical effects, or the interaction of light and matter. Notably, direct scattering between free electrons and optical modes is also anticipated to serve as a source of such non-classical, or quantum light, in which the generated photon properties, such as the spectral distribution, polarization, and state statistics, are defined by the electron beam energy and the scattering geometry. This cumulative thesis showcases the electron-induced generation of non-classical light in a transmission electron microscope through the direct scattering of free electrons with the optical mode of a waveguide. By matching the phase velocity of the optical mode to the velocity of the high-energy electrons, the single-electron interaction probability is significantly enhanced, resulting in a substantial increase in photon yield. The inelastically scattered electrons and generated photons are detected in coincidence, revealing their temporal and energetic correlation, while suppressing uncorrelated noise. This enables the demonstration of electron-photon pair states and a detailed analysis of the photon generation process, which is explored in two subsequent articles. By combining the coincidence detection scheme with post-selection on inelastically scattered electrons at a defined energy loss, electron-heralded photon number states can be detected, which are considered non-classical. Furthermore, coincidence-gating of detected electrons and photons is demonstrated to enable noise-reduced and contrast-enhanced photonic mode imaging. These findings, which harness electron-photon scattering on a single-particle level, promise application in coincidence-enhanced electron microscopy and facilitate future free-electron quantum optics research, encompassing versatile photon state generation and electron-photon entanglement, a field with vast potential.
Keywords: Quantum Optics; Electron Microscopy; Photon Statistics; Electron-Light Interaction; Free-Electron Quantum Optics; Inelastic Electron-Light Scattering; Cathodoluminescence

German

Aktueller Forschung zufolge besitzen quantenmechanische Phänomene großes Potential, die moderne Technologie zu verbessern, zum Beispiel über die Erhöhung von Rechengeschwindigkeit und durch sichere Datenverschlüsselung. Die zugrunde liegenden technologischen Fortschritte beruhen auf der effizienten Erzeugung von speziell zugeschnittenen "quantenoptischen Zuständen", die typischerweise durch nichtlineare optische Effekte, oder Licht-Materie Wechselwirkung entstehen. Bemerkenswerterweise soll die direkte Streuung zwischen freien Elektronen und optischen Moden auch als eine Quelle dieser quantenoptischen Strahlung fungieren, bei der die Eigenschaften der generierten Photonen, wie die spektrale Verteilung, die Polarisation und die Zustandsstatistik, durch die Elektronenenergie und die Streugeometrie vorgegeben werden. Diese kumulative Dissertation zeigt die Elektronen-induzierte Generation von nicht-klassischem Licht in einem Transmissionselektronenmikroskop durch direkte Streuung freier Elektronen an der optischen Mode eines Wellenleiters. Durch die Anpassung der Phasengeschwindigkeit der optischen Mode an die Geschwindigkeit der hochenergetischen Elektronen wird deren Interaktionswahrscheinlichkeit verbessert, was zu einer erheblichen Steigerung der Photonenausbeute führt. Die gestreuten Elektronen und erzeugten Photonen werden in Koinzidenz detektiert, wodurch ihre zeitliche und energetische Korrelation zutage tritt und unkorreliertes Rauschen unterdrückt wird. Dies ermöglicht die Demonstration von Elektron-Photon-Paarzuständen und eine ausführliche Analyse des Photonen-Erzeugungsprozesses, die in zwei Artikeln präsentiert werden. Die Kombination der Koinzidenz-Detektion mit einer Post-Selektion von inelastisch gestreuten Elektronen bei einem definierten Energieverlust ermöglicht schließlich die Detektion Elektron-angekündigter Photonenzahl-Zustände, die als quantenoptisch gelten. Darüber hinaus wird die Koinzidenzfilterung detektierter Elektronen und Photonen demonstriert, welche eine rauscharme und kontrastverstärkte Bildgebung optischer Moden ermöglicht. Diese Ergebnisse, welche sich auf Elektronen-Photonen-Streuung auf Einzel-Teilchen Ebene stützen, versprechen effiziente Anwendungen in koinzidenzverbesserter Elektronenmikroskopie und ermöglichen zukünftige Forschung im Bereich der freie-Elektronen-Quantenoptik, wie bespielsweise die vielseitige Photonenzustands-Erzeugung, und die Elektron-Photon Verschränkung.
 
Statistik