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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.

신용
Yang et al. DOI: 10.1126/science.adk2489

요약 :
빛이 물질을 통과할 때 종종 예측할 수 없는 방식으로 동작합니다. 이 현상은 "비선형 광학"이라는 전체 연구 분야의 주제이며, 이는 이제 레이저 개발 및 광주파수 측정부터 중력파 천문학 및 양자 정보 과학에 이르기까지 기술 및 과학 발전에 필수적입니다.

빛과 전자를 연결하다

스위스 로잔 | 게시일: 12년 2024월 XNUMX일

또한 최근에는 광 신호 처리, 통신, 감지, 분광학, 광 감지 및 거리 측정에 비선형 광학이 적용되는 것을 볼 수 있습니다. 이러한 모든 응용 분야에는 비선형 방식으로 빛을 작은 칩으로 조작하는 장치의 소형화가 포함되어 칩 규모의 복잡한 빛 상호 작용을 가능하게 합니다.

이제 EPFL과 Max Plank 연구소의 과학자 팀은 비선형 광학 현상을 투과전자현미경(TEM)에 도입했습니다. 투과전자현미경은 이미징을 위해 빛 대신 전자를 사용하는 현미경의 일종입니다. 이 연구는 EPFL의 Tobias J. Kippenberg 교수와 Max Planck 종합과학연구소 소장인 Claus Ropers 교수가 주도했습니다. 현재 사이언스(Science)에 게재되었습니다.

연구의 중심에는 바다를 가로질러 이동하는 완벽하게 형성된 파도처럼 물질을 통해 이동할 때 모양과 에너지를 유지하는 빛의 파동인 "커 솔리톤(Kerr solitons)"이 있습니다. 이 연구에서는 수십 펨토초(1000분의 1초) 동안 지속되고 마이크로 공진기에서 자발적으로 형성되는 안정적이고 국지적인 광 펄스인 "소산성"이라고 불리는 특정 유형의 Kerr 솔리톤을 사용했습니다. 소산성 커 솔리톤은 전자와도 상호 작용할 수 있으므로 이 연구에 매우 중요합니다.

연구원들은 반사 공동 내부에 빛을 가두어 순환시키는 작은 칩인 광 마이크로 공진기 내부에 소산성 커 솔리톤을 형성하여 이러한 파동에 대한 완벽한 조건을 만듭니다. 이번 연구를 주도한 EPFL 연구원 Yujia Yang은 “우리는 연속파 레이저로 구동되는 마이크로 공진기에서 다양한 비선형 시공간 광 패턴을 생성했습니다.”라고 설명합니다. "이러한 빛 패턴은 광자 칩을 통과하는 전자 빔과 상호 작용하여 전자 스펙트럼에 지문을 남겼습니다."

특히, 이 접근 방식은 자유 전자와 소산성 커 솔리톤 사이의 결합을 보여 주었으며, 이를 통해 연구원들은 마이크로 공진기 공동에서 솔리톤 역학을 조사하고 전자 빔의 초고속 변조를 수행할 수 있었습니다.

Kippenberg는 "TEM에서 소산성 Kerr 솔리톤(DKS)을 생성하는 능력으로 마이크로 공진기 기반 주파수 빗의 사용을 미지의 영역으로 확장했습니다."라고 말했습니다. "전자-DKS 상호작용은 작은 광자 칩으로 강화된 높은 반복률의 초고속 전자현미경과 입자 가속기를 가능하게 할 수 있습니다."

Ropers는 다음과 같이 덧붙였습니다. “우리의 결과는 전자 현미경이 나노 규모에서 비선형 광학 역학을 조사하는 강력한 기술이 될 수 있음을 보여줍니다. 이 기술은 비침습적이며 비선형 광학 물리학을 이해하고 비선형 광자 장치를 개발하는 데 핵심인 공동 내 장에 직접 접근할 수 있습니다."

광자 칩은 EPFL의 CMi(MicroNanoTechnology 센터)와 물리학 연구소 클린룸에서 제작되었습니다. 실험은 괴팅겐 초고속 투과 전자 현미경(UTEM) 연구소에서 수행되었습니다.

다른 기여자

EPFL 양자 과학 및 공학 센터

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닉 파파게오르기우
로잔 연방 공과 대학교
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전문가 연락처

토비아스 J. 키펜버그
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사무실: +41 21 693 44 28
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