Nanotechnology Now - Communiqué de presse : Faire le pont entre la lumière et les électrons

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Schéma de l'expérience. Des modèles de lumière spatio-temporels non linéaires dans un microrésonateur à puce photonique modulent le spectre d'un faisceau d'électrons libres dans un microscope électronique à transmission.

CRÉDIT
Yang et coll. DOI : 10.1126/science.adk2489

Résumé:
Lorsque la lumière traverse un matériau, elle se comporte souvent de manière imprévisible. Ce phénomène fait l’objet de tout un domaine d’étude appelé « optique non linéaire », qui fait désormais partie intégrante des avancées technologiques et scientifiques depuis le développement des lasers et la métrologie des fréquences optiques, jusqu’à l’astronomie des ondes gravitationnelles et la science de l’information quantique.

Faire le pont entre la lumière et les électrons

Lausanne, Suisse | Publié le 12 janvier 2024

En outre, ces dernières années, l'optique non linéaire a été appliquée au traitement du signal optique, aux télécommunications, à la détection, à la spectroscopie, à la détection et à la télémétrie de la lumière. Toutes ces applications impliquent la miniaturisation de dispositifs qui manipulent la lumière de manière non linéaire sur une petite puce, permettant des interactions lumineuses complexes à l'échelle de la puce.

Aujourd'hui, une équipe de scientifiques de l'EPFL et de l'Institut Max Plank a intégré des phénomènes optiques non linéaires dans un microscope électronique à transmission (TEM), un type de microscope qui utilise des électrons pour l'imagerie au lieu de la lumière. L'étude a été dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg de l'EPFL et le professeur Claus Ropers, directeur de l'Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires. Il est maintenant publié dans Science.

Au cœur de l’étude se trouvent les « solitons de Kerr », des vagues de lumière qui conservent leur forme et leur énergie lorsqu’elles se déplacent à travers un matériau, comme une vague de surf parfaitement formée traversant l’océan. Cette étude a utilisé un type particulier de solitons Kerr appelés « dissipatifs », qui sont des impulsions lumineuses stables et localisées qui durent des dizaines de femtosecondes (un quadrillionième de seconde) et se forment spontanément dans le microrésonateur. Les solitons de Kerr dissipatifs peuvent également interagir avec les électrons, ce qui les rend cruciaux pour cette étude.

Les chercheurs ont formé des solitons Kerr dissipatifs à l’intérieur d’un microrésonateur photonique, une minuscule puce qui emprisonne et fait circuler la lumière à l’intérieur d’une cavité réfléchissante, créant ainsi les conditions parfaites pour ces ondes. «Nous avons généré différents modèles de lumière spatio-temporelle non linéaires dans le microrésonateur piloté par un laser à onde continue», explique Yujia Yang, chercheuse à l'EPFL, qui a dirigé l'étude. "Ces modèles lumineux ont interagi avec un faisceau d'électrons passant par la puce photonique et ont laissé des empreintes digitales dans le spectre électronique."

Plus précisément, l’approche a démontré le couplage entre les électrons libres et les solitons de Kerr dissipatifs, ce qui a permis aux chercheurs de sonder la dynamique des solitons dans la cavité du microrésonateur et d’effectuer une modulation ultrarapide des faisceaux d’électrons.

"Notre capacité à générer des solitons Kerr dissipatifs [DKS] dans un TEM étend l'utilisation de peignes de fréquence à base de microrésonateurs à des territoires inexplorés", explique Kippenberg. "L'interaction électron-DKS pourrait permettre une microscopie électronique ultrarapide à taux de répétition élevé et des accélérateurs de particules alimentés par une petite puce photonique."

Ropers ajoute : « Nos résultats montrent que la microscopie électronique pourrait être une technique puissante pour sonder la dynamique optique non linéaire à l'échelle nanométrique. Cette technique est non invasive et permet d’accéder directement au champ intracavité, essentiel à la compréhension de la physique optique non linéaire et au développement de dispositifs photoniques non linéaires.

Les puces photoniques ont été fabriquées au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) et dans la salle blanche de l'Institut de Physique de l'EPFL. Les expériences ont été menées au laboratoire de microscopie électronique à transmission ultrarapide (UTEM) de Göttingen.

Autres contributeurs

Centre EPFL pour les sciences et l'ingénierie quantiques

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