Brug af Kerr-solitoner til at øge kraften i transmissionselektronmikroskoper

Når lys går gennem et materiale, opfører det sig ofte på en uforudsigelig måde. Dette fænomen er genstand for et helt studieområde kaldet "ikke-lineær optik", som nu er integreret i teknologiske og videnskabelige fremskridt fra laserudvikling og optisk frekvensmetrologi til gravitationsbølgeastronomi og kvanteinformationsvidenskab.

Derudover har de seneste år set ikke-lineær optik anvendt i optisk signalbehandling, telekommunikation, sansning, spektroskopi, lysdetektion og afstandsmåling. Alle disse applikationer involverer miniaturisering af enheder, der manipulerer lys på ikke-lineære måder på en lille chip, hvilket muliggør komplekse lysinteraktioner på en chipskala.

Nu har et hold af forskere ved EPFL og Max Planck Institute bragt ikke-lineære optiske fænomener ind i et transmissionselektronmikroskop (TEM), en type mikroskop, der bruger elektroner til billeddannelse i stedet for lys. Undersøgelsen blev ledet af professor Tobias J. Kippenberg ved EPFL og professor Claus Ropers, direktør for Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences. Den er nu udgivet i Science .

I hjertet af undersøgelsen er "Kerr solitoner", bølger af lys, der holder deres form og energi, når de bevæger sig gennem et materiale, som en perfekt dannet surfbølge, der rejser hen over havet. Denne undersøgelse brugte en særlig type Kerr-solitoner kaldet "dissipative", som er stabile, lokaliserede lysimpulser, der varer titusinder af femtosekunder (en kvadrilliontedel af et sekund) og dannes spontant i mikroresonatoren. Dissipative Kerr-solitoner kan også interagere med elektroner, hvilket gjorde dem afgørende for denne undersøgelse.

Forskerne dannede dissipative Kerr-solitoner inde i en fotonisk mikroresonator, en lille chip, der fanger og cirkulerer lys inde i et reflekterende hulrum, hvilket skaber de perfekte forhold for disse bølger. "Vi genererede forskellige ikke-lineære spatiotemporale lysmønstre i mikroresonatoren drevet af en kontinuerlig bølgelaser," forklarer EPFL-forsker Yujia Yang, der ledede undersøgelsen. "Disse lysmønstre interagerede med en stråle af elektroner, der passerede den fotoniske chip, og efterlod fingeraftryk i elektronspektret."

Specifikt demonstrerede tilgangen koblingen mellem frie elektroner og dissipative Kerr-solitoner, hvilket gjorde det muligt for forskerne at undersøge soliton-dynamik i mikroresonatorhulrummet og udføre ultrahurtig modulering af elektronstråler.

"Vores evne til at generere dissipative Kerr-solitoner [DKS] i en TEM udvider brugen af ​​mikroresonator-base frekvenskamme til uudforskede territorier," siger Kippenberg. "Elektron-DKS-interaktionen kunne muliggøre ultrahurtig elektronmikroskopi med høj gentagelseshastighed og partikelacceleratorer bemyndiget af en lille fotonisk chip."

Ropers tilføjer, "Vores resultater viser, at elektronmikroskopi kan være en kraftfuld teknik til at sondere ikke-lineær optisk dynamik på nanoskala. Denne teknik er ikke-invasiv og i stand til at få direkte adgang til det intrakavitetsfelt, nøglen til at forstå ikke-lineær optisk fysik og udvikle ikke-lineære fotoniske enheder. "

De fotoniske chips blev fremstillet i Center of MicroNanoTechnology (CMi) og Institute of Physics renrum ved EPFL. Eksperimenterne blev udført på Göttingen Ultrafast Transmission Electron Microscopy (UTEM) Lab.

Flere oplysninger: Yujia Yang et al., Fri-elektroninteraktion med ikke-lineære optiske tilstande i mikroresonatorer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk2489. www.science.org/doi/10.1126/science.adk2489

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne