Nanotechnology Now - プレスリリース: 光と電子の橋渡し

プラトン再発行

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実験の概略図。フォトニックチップベースの微小共振器内の非線形時空間光パターンは、透過型電子顕微鏡内の自由電子ビームのスペクトルを変調します。クレジットヤン他DOI: 10.1126/science.adk2489

Schematic of the experiment. Nonlinear spatiotemporal light patterns in a photonic chip-based microresonator modulate the spectrum of a beam of free electrons in a transmission electron microscope.

CREDIT
ヤンら。 DOI: 10.1126/science.adk2489

要約：
光がマテリアルを通過すると、多くの場合、予測不可能な動作をします。この現象は、「非線形光学」と呼ばれる研究分野全体の主題であり、現在、レーザー開発や光周波数計測から重力波天文学や量子情報科学に至るまで、技術的および科学的進歩に不可欠となっています。

光と電子の橋渡し

ローザンヌ、スイス | 投稿日: 12 年 2024 月 XNUMX 日

さらに、近年では、非線形光学が光信号処理、電気通信、センシング、分光法、光検出、測距に応用されています。これらすべてのアプリケーションには、小さなチップ上で非線形な方法で光を操作するデバイスの小型化が含まれており、チップスケールでの複雑な光の相互作用が可能になります。

今回、EPFL とマックスプランク研究所の科学者チームは、光の代わりに電子をイメージングに使用する顕微鏡の一種である透過型電子顕微鏡 (TEM) に非線形光学現象を導入しました。この研究は、EPFLのトビアス・J・キッペンバーグ教授とマックス・プランク複合科学研究所所長のクラウス・ローパース教授が主導した。現在はサイエンス誌に掲載されています。

研究の中心となるのは、海を横切る完璧に形成されたサーフィンの波のように、物質中を移動するときにその形状とエネルギーを保持する光の波である「カーソリトン」です。この研究では、「散逸型」と呼ばれる特定の種類のカーソリトンを使用しました。これは、数十フェムト秒 (1 京分の 1 秒) 持続し、微小共振器内で自発的に形成される安定した局所的な光のパルスです。散逸カーソリトンは電子と相互作用することもできるため、この研究にとって非常に重要です。

研究者らは、フォトニック微小共振器内に散逸カーソリトンを形成しました。これは、反射空洞内に光を閉じ込めて循環させる小さなチップであり、これらの波にとって完璧な条件を作り出します。「私たちは、連続波レーザーによって駆動される微小共振器内にさまざまな非線形時空間光パターンを生成しました」と、この研究を主導した EPFL 研究者の Yujia Yang 氏は説明します。「これらの光のパターンは、フォトニックチップを通過する電子ビームと相互作用し、電子スペクトルに指紋を残しました。」

具体的には、このアプローチは自由電子と散逸カーソリトンの間の結合を実証し、これにより研究者は微小共振器空洞内のソリトンのダイナミクスを調査し、電子ビームの超高速変調を実行できるようになりました。

「TEM 内で散逸カーソリトン [DKS] を生成する私たちの能力は、微小共振器ベース周波数コムの使用を未踏の領域に拡張します」とキッペンバーグ氏は言います。「電子とDKSの相互作用により、高繰り返しレートの超高速電子顕微鏡や小型フォトニックチップによる粒子加速器が可能になる可能性があります。」

ローパーズ氏は次のように付け加えています。「私たちの結果は、電子顕微鏡法がナノスケールでの非線形光学ダイナミクスを調べるための強力な技術である可能性があることを示しています。この技術は非侵襲的であり、非線形光学物理の理解と非線形フォトニックデバイスの開発の鍵となる空洞内場に直接アクセスすることができます。」

フォトニックチップは、EPFL のマイクロナノテクノロジーセンター (CMi) と物理学研究所のクリーンルームで製造されました。実験はゲッティンゲンの超高速透過電子顕微鏡 (UTE) 研究所で行われました。

その他の貢献者

EPFL 量子科学技術センター

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