站长之家 - 业界 2021-12-27 19:30

集成光子学与电子显微镜技术在非常规的合作中意外相遇

透射电子显微镜(TEM)可以通过使用电子而不是光来对原子尺度的分子结构进行成像,并彻底改变了材料科学和结构生物学。在过去的十年中,人们对电子显微镜与光学激发的结合产生了浓厚的兴趣,例如,试图通过光来控制和操纵电子束。但是一个主要的挑战是传播的电子与光子的互动相当弱。

在一项新的研究中,研究人员已经成功地证明了使用集成光子微谐振器进行极其有效的电子束调制。这项研究由EPFL的Tobias J. Kippenberg教授和马克斯-普朗克生物物理化学研究所和哥廷根大学的Claus Ropers教授领导,并发表在《自然》杂志上。

这两个实验室形成了一个非常规的合作,将通常没有联系的电子显微镜和集成光子学领域结合起来。光子集成电路可以在芯片上以超低的低损耗引导光线,并利用微环谐振器增强光场。在Ropers小组进行的实验中,电子束被引导通过光子电路的光学近场,以使电子与增强的光相互作用。然后研究人员通过测量吸收或发射了几十到几百个光子能量的电子的能量来探测这种互动。这些光子芯片是由Kippenberg小组设计的,其建造方式使微环谐振器中的光速与电子的速度完全匹配,大大增加了电子-光子的互动。

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实验装置显示了用于展示电子-光子相互作用的透射电子显微镜和氮化硅微共振器

该技术能够对电子束进行强有力的调制,只需连续波激光器的几毫瓦--一个普通激光笔产生的功率水平。该方法构成了对电子束光学控制的极大简化和效率的提高,它可以在普通的透射电子显微镜中无缝实现,并且可以使该方案得到更广泛的应用。

"基于低损耗氮化硅的集成光子电路已经取得了巨大的进展,并密集地推动了许多新兴技术和基础科学的进步,如LiDAR、电信和量子计算,现在证明是电子束操纵的一个新成分,"Kippenberg说。

"将电子显微镜与光子学结合起来,有可能独特地将原子尺度成像与相干光谱学联系起来,"Ropers补充说。"对于未来,我们预计这将产生对微观光学激发的前所未有的理解和控制。"

研究人员计划在新形式的量子光学和自由电子的阿托秒计量学方向上进一步扩大他们的合作。

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