„Optyczne odciski palców” na wiązce elektronów

Jan 15, 2024

(Wiadomości Nanowerk) Precyzyjna kontrola wiązek elektronów w tzw. transmisyjnych mikroskopach elektronowych (TEM) umożliwia analizę materiałów lub cząsteczek na poziomie atomowym. W połączeniu z krótkimi impulsami świetlnymi urządzenia te można również wykorzystać do analizy procesów dynamicznych. Naukowcy z Getyngi i Szwajcarii po raz pierwszy pokazali, w jaki sposób elektrony mogą rozróżniać złożone stany świetlne w mikroskopijnym magazynie światła w TEM. Jak możemy wykorzystać światło do przechowywania informacji? A może wykorzystać go do błyskawicznej transmisji danych? Te i wiele innych pytań zajmuje się dziedziną badań fotoniki. Nowoczesna zintegrowana fotonika umożliwia na przykład kierowanie światłem w kanałach mikrochipa lub manipulowanie nim. Można również zastosować tak zwane nieliniowe procesy optyczne, w których tworzone są nowe kolory lub wyjątkowo krótkie impulsy świetlne dla bardzo dużych natężeń światła. Technologie te są już wykorzystywane w telekomunikacji, optycznych pomiarach odległości i prędkości oraz w obliczeniach kwantowych. Ostatnio coraz częściej pojawiają się nowe interfejsy między fotoniką a innymi dziedzinami badań, takimi jak mikroskopia elektronowa. Na przykład mikrochipy optyczne mogły ostatnio wpływać na wiązki elektronów. Z kolei elektrony można wykorzystać do pomiaru pól świetlnych. Kiedy elektron przechodzi przez intensywne pole świetlne, jest przyspieszany lub zwalniany w zależności od czasu przybycia i siły pola. Naukowcy mogą następnie wyciągnąć bezpośrednie wnioski na temat właściwości światła na podstawie zmienionej prędkości elektronu. Ilustracja przedstawiająca oddziaływanie wiązki elektronów (kolor zielony) z impulsem światła solitonu krążącego w rezonatorze pierścieniowym (kolor na białym tle). Zmiany w wiązce elektronów dostarczają informacji o właściwościach impulsu świetlnego. (Zdjęcie: Ryan Allen, Second Bay Studios)

Przeanalizowano różne stany światła

W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie nauka („Oddziaływanie wolnych elektronów z nieliniowymi stanami optycznymi w mikrorezonatorach”), zespół kierowany przez Clausa Ropersa z Instytutu Nauk Multidyscyplinarnych Maxa Plancka (MPI) w Getyndze i Tobiasa Kippenberga ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Lozannie (EPFL) badał obecnie różne nieliniowe procesy optyczne z wykorzystaniem wiązki elektronów. Aby to zrobić, umieścili w TEM urządzenie do przechowywania światła w kształcie pierścienia, tak zwany mikrorezonator, i wygenerowali w nim światło o różnych kształtach fal. W oparciu o charakterystyczną interakcję z wiązką elektronów byli następnie w stanie szczegółowo przeanalizować różne stany światła. „Jeśli ustawimy wiązkę elektronów w taki sposób, aby elektrony przelatywały obok rezonatorów, będziemy mogli dokładnie zmierzyć wpływ pola świetlnego na energię elektronów” – wyjaśnia Jan-Wilke Henke z MPI. Jego koleżanka Jasmin Kappert dodaje: „Każdy z możliwych kształtów fali światła pozostawia charakterystyczny ślad w widmie elektronów, który umożliwia nam prześledzenie powstawania różnych stanów”. Obaj doktoranci przeprowadzili eksperymenty w Laboratorium Ultraszybkiej Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej w MPI w Getyndze. Wymagane chipy fotoniczne zostały opracowane przez zespół w Lozannie.

Impulsy świetlne trwające krócej niż jedna dziesiąta bilionowej sekundy

Jednak naukowcom udało się nie tylko scharakteryzować pola świetlne na podstawie ich wpływu na elektrony: „W naszych eksperymentach wygenerowaliśmy także tak zwane solitony – stabilne, ultrakrótkie impulsy świetlne trwające krócej niż jedna dziesiąta bilionowej sekundy” – wyjaśnia fizyk Yujia Yang z EPFL. Możliwość generowania solitonów w TEM rozszerza zastosowanie optyki nieliniowej i mikrorezonatorów na niezbadane obszary, mówi Tobias Kippenberg. „Interakcja między elektronami i solitonami mogłaby między innymi umożliwić ultraszybką mikroskopię elektronową z niespotykanie dużą częstotliwością powtarzania”. Dyrektor Maxa Plancka, Claus Ropers, dodaje: „Nasze wyniki pokazują, że mikroskopia elektronowa idealnie nadaje się do badania nieliniowej dynamiki optycznej w nanoskali. Zakładamy również, że w przyszłości będzie znacznie więcej zastosowań tej technologii, zarówno do przestrzennej, jak i czasowej manipulacji wiązkami elektronów.”

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64415.php