Grant: Collaborative Science, Technology and Innovation Program - Collaborative R&D Initiatives

Transmission electron microscopy (TEM) development is rapidly moving towards novel schemes that utilize preparation, manipulation, entanglement and sensing one electron at a time. One of the main motivations for such quantum-enhanced methods and instrumentation (QTEM) is the need for analysis of individual biomolecules beyond the Gaussian shot noise limit set by radiation damage of the molecules. Ultimately, a quantum-enhanced cryo-TEM of biomolecules is needed for targeted therapeutic drug design, revealing underlying protein-protein and protein-RNA/DNA interactions. The Project, Quantum Enhanced Sensing in Transmission Electron Microscopy, or QuanTEM (Phase I), will develop the knowledge and instrumentation needed for realizing an ultrafast QTEM. This collaboration will place UA and NRC at the forefront of the nascent and rapidly growing field of QTEM. The Project builds on and qualitatively expands our internationally recognized work in terahertz (THz) ultrafast transmission electron microscopy (THz-UTEM) and in diamond nanophotonics (DN), both supported by the NRC-UA NanoInitiative program, as well as CFI, NSERC, and Alberta Innovates. The intended outcome of QuanTEM (Phase I) is the development of methods and devices needed to generate, manipulate, and detect single-electron pulses. In parallel, the Project Team will investigate the effects of inelastic electron scattering on QTEM. In the longer term, the Project Team envision QuanTEM (Phase II) that will expand the project further to demonstrate a sub-Poissonian single-electron source and entanglement of electrons with photons. The use of such entangled states is believed to enable extraction of information about microscopy samples with resolution beyond the Gaussian shot noise limit. This will in turn enable, for example, the study of biomolecules that cannot be prepared in large number of copies, rendering them unsuitable for x-ray and nuclear magnetic resonance (NMR) analysis. The QuanTEM project will provide the tools and methods to enable QTEM. Phase I of the project described in this proposal develops the knowledge and techniques required for facilitating electron-photon interactions in a TEM. This will be accomplished in part by developing custom electron-optics, ultrafast gating of single-electron pulses, and nanofabricated devices for mediating such interactions, including micromechanical, plasmonic and opto-mechanical structures. Much of this work will be performed in the NanoMi UTEM column housed in the Ultrafast Nanotools Lab at UA. However, a key highlight of the QuanTEM project is the donation of an entire transmission electron microscope column from RIKEN (Japan) for developing QTEM at NRC-QN. In addition, a complete femtosecond laser amplifier system will be provided by UA for installation directly next to the donated TEM column. These significant in-kind contributions to QuanTEM will greatly enhance the project and promote international collaboration in QTEM.

Le développement de la microscopie électronique à transmission (TEM) évolue rapidement vers de nouveaux dispositifs capables de préparer, manipuler, intriquer et capter les électrons un à la fois. L’une des principales raisons pour mettre au point des méthodes et instruments améliorés par la technologie quantique (QTEM) est le besoin d’analyser des biomolécules individuelles au-delà de la limite de bruit quantique gaussien fixée par l’endommagement des molécules par les rayonnements. Au bout du compte, une cryo-TEM de biomolécules améliorées par la technologie quantique est nécessaire pour concevoir les substances thérapeutiques ciblées, et révéler les interactions sous-jacentes de type protéine-protéine et protéine-ARN/ADN. Le projet, baptisé « détection améliorée par la technologie quantique en microscopie électronique à transmission », ou QuanTEM (phase I), permettra de développer les connaissances et les instruments nécessaires à la réalisation d’un QTEM ultrarapide. Cette collaboration placera l’UA et le CNRC à l’avant-garde de cette discipline naissante et en croissance rapide qu’est le QTEM. Le projet mise sur des travaux reconnus à l’échelle internationale en microscopie électronique à transmission ultrarapide dans la bande de térahertz (THz-UTEM) et en nanophotonique sur diamant (ND), deux domaines bénéficiant de l’appui de l’initiative en nanotechnologie CNRC-UA, et de celui de la Fondation canadienne pour l’innovation (FCI), du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et d’Alberta Innovates. Le projet QuanTEM (phase I) aura pour résultat le développement des méthodes et des dispositifs requis pour générer, manipuler et détecter des impulsions d’un seul électron. En parallèle, l’équipe du projet effectuera de la recherche sur les effets de la dispersion neutronique inélastique dans le QTEM. À plus long terme, l’équipe du projet envisage de pousser plus loin le projet QuanTEM (phase II) afin de démontrer l’existence d’une source sous-poissonnienne d’électrons uniques et d’un enchevêtrement d’électrons et de photons. Le recours à de tels enchevêtrements facilite l’extraction d’information sur les échantillons microscopiques à des résolutions supérieure à la limite de bruit quantique gaussien. Au moment opportun, cela permettra par exemple d’étudier des biomolécules qui ne peuvent être préparées en grand nombre, ce qui les rend inutilisables à des fins d’analyse par rayon X ou par résonance magnétique nucléaire (RMN). Le projet QuanTEM générera les outils et les méthodes nécessaires au QTEM. La phase I du projet décrite dans la présente proposition porte sur les connaissances et les techniques requises pour faciliter les interactions électrons-photons dans une TEM. Cela sera accompli en partie en développant des appareils optiques électroniques personnalisés, des dispositifs de déclenchement ultrarapide d’impulsions à électron unique et des dispositifs nanométriques nécessaires à la réalisation de telles interactions, y compris des structures micromécaniques, plasmoniques et optomécaniques. Une bonne partie des travaux sera exécutée dans la colonne NanoMi UTEM du laboratoire de nano-outils ultrarapides de l’UA. Toutefois, un des hauts faits du projet QuanTEM est le don par RIKEN (Japon) d’un microscope électronique par transmission pour développer le QTEM au Centre de recherche sur la quantique et le numérique du CNRC. De plus, un système d’amplificateur laser à la femtoseconde sera fourni par l’UA et sera installé directement à côté de la colonne TEM donnée au laboratoire. Ces contributions en nature importantes dans le cadre du projet QuanTEM rehausseront grandement le profil du projet et faciliteront sa promotion et le recrutement de collaborateurs internationaux.

In the short term, anticipated outcomes will be strengthened collaborations across industry, academia, and government to support research excellence. In the medium term, anticipated outcomes will be the development of new and potentially disruptive technologies with collaborators. In the long term, find collaborative solutions to public policy challenges and create stronger innovation systems.

À court terme, les résultats prévus seront des collaborations renforcées entre l'industrie, le milieu universitaire et le gouvernement pour soutenir l'excellence en recherche. À moyen terme, les résultats attendus seront le développement de nouvelles technologies potentiellement perturbatrices avec des collaborateurs. À long terme, trouver des solutions collaboratives aux défis des politiques publiques et créer des systèmes d'innovation plus solides.

Collaborate on multiparty research and development programs to catalyze transformative, high-risk, high-reward research with the potential for game-changing scientific discoveries and technological breakthroughs in priority areas.

Collaborer à des programmes multipartites de recherche-développement dans le but de profiter de la synergie entre la recherche transformatrice à haut risque et à haut rendement et le potentiel de découvertes scientifiques et de percées technologiques révolutionnaires dans des secteurs d’intervention prioritaires.