桥接光和电子

当光穿过一种材料时，它经常以不可预测的方式表现出来。这种现象是一个被称为“非线性光学”的整个研究领域的主题，它现在是从激光开发和光学频率计量到引力波天文学和量子信息科学的技术和科学进步的一部分。

此外，近年来非线性光学已应用于光信号处理、电信、传感、光谱学、光探测和测距。

所有这些应用都涉及到在一个小芯片上以非线性方式操纵光的设备的小型化，从而实现芯片级的复杂光相互作用。

现在，EPFL和马克斯·普兰克研究所的一组科学家已经将非线性光学现象引入了透射电子显微镜(TEM)，这是一种使用电子而不是光进行成像的显微镜。

这项研究由EPFL的Tobias J. Kippenberg教授和马克斯·普朗克多学科科学研究所所长Claus Ropers教授领导。

该书现出版于科学.

这项研究的核心是“克尔孤子”，即光波在穿过材料时保持其形状和能量，就像一个完美形成的海浪在海洋中传播。

这项研究使用了一种特殊类型的克尔孤子，称为“耗散型”，这是一种稳定的局部光脉冲，持续数十飞秒(一千万亿分之一秒)，在微谐振器中自发形成。

耗散的克尔孤子也可以与电子相互作用，这使它们对这项研究至关重要。

研究人员在光子微谐振器中形成了耗散克尔孤子，这是一种在反射腔内捕获和循环光的微小芯片，为这些波创造了完美的条件。

“我们在连续波激光驱动的微谐振器中产生了各种非线性时空光模式，”领导这项研究的EPFL研究员鱼枷·杨解释说。

“这些光图案与经过光子芯片的电子束相互作用，并在电子光谱中留下指纹。”

具体而言，该方法证明了自由电子和耗散克尔孤子之间的耦合，这使得研究人员能够探索微谐振腔中的孤子动力学并对电子束进行超快调制。

“我们在TEM中产生耗散克尔孤子(DKS)的能力将基于微谐振器的频率梳的使用扩展到了未探索的领域，”Kippenberg说。

“电子-DKS相互作用可以实现由小型光子芯片支持的高重复率超快电子显微镜和粒子加速器。”

Ropers补充道:“我们的结果表明，电子显微镜可能是一种在纳米尺度上探测非线性光学动力学的强大技术。这项技术是非侵入性的，能够直接进入腔内场，这是理解非线性光学物理和开发非线性光子器件的关键。”

光子芯片是在微纳技术中心和EPFL物理研究所的洁净室制造的。实验在哥廷根超快透射电子显微镜(UTEM)实验室进行。

来源: Materials provided by Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Original written by Nik Papageorgiou.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Yujia Yang, Jan-Wilke Henke, Arslan S. Raja, F. Jasmin Kappert, Guanhao Huang, Germaine Arend, Zheru Qiu, Armin Feist, Rui Ning Wang, Aleksandr Tusnin, Alexey Tikan, Claus Ropers, Tobias J. Kippenberg. Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators. Science, 2024; 383 (6679): 168 DOI: 10.1126/science.adk2489