Ikke-lineære optiske tilstande er præget på en elektronstråle - Physics World

Ikke-lineære optiske tilstande er præget på en elektronstråle - Physics World

Tidsstempel: 13. februar 2024 kl. 1:53

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam-physics-world-2.jpg" data-caption="Nonlinear effect: the photonic chip used in this study was mounted on a transmission electron microscope sample holder and packaged with optical fibres. (Courtesy: Yang et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)"> Ikke-lineær optisk chip
Ikke-lineær effekt: den fotoniske chip, der blev brugt i denne undersøgelse, blev monteret på en transmissionselektronmikroskopprøveholder og pakket med optiske fibre. (Med høflighed: Yang et al./DOI: 10.1126/science.adk2489)

Samspillet mellem frie elektroner og ikke-lineære optiske tilstande er blevet brugt af forskere i Schweiz og Tyskland til at skræddersy en elektronstråle, der kunne bruges til nye typer mikroskopi. Holdet blev ledet af Yujia Yang hos EPFL.

Elektronmikroskoper bruger fokuserede stråler af frie elektroner til at tage billeder med meget højere rumlig opløsning end optiske instrumenter. Lasere, der leverer ultrakorte pulser, giver forskere mulighed for at studere fænomener, der opstår på meget korte tidsskalaer. I årtier har begge teknikker været meget nyttige for videnskabsmænd. For nylig har forskere kombineret de to teknologier for at skabe stadig mere kraftfulde eksperimentelle metoder, der manipulerer elektronstråler på ultrakorte tidsskalaer.

Ikke-lineære muligheder

Alligevel er der et særligt vigtigt område, som indtil videre er gået uberørt af disse seneste fremskridt, som Yang forklarer.

"Ikke-lineære optiske fænomener er af afgørende betydning inden for både videnskab og teknologi og har varslet adskillige gennembrud. Imidlertid er brugen af ​​ikke-lineære optiske effekter til at kontrollere frie elektronstråler sjældent blevet undersøgt eksperimentelt; og brugen af ​​frie elektroner til at sondere ikke-lineær dynamik er heller ikke blevet eksperimentelt undersøgt."

Ikke-lineære effekter opstår, når lys ændrer de optiske egenskaber af et materiale, hvilket igen påvirker, hvordan dette lys interagerer med materialet. Dette sker normalt ved høje lysintensiteter - og i materialer som fotoniske krystaller, som kan konstrueres til at have specifikke ikke-lineære egenskaber.

For at kombinere ikke-lineær fotonik med elektronmikroskopi brugte Yangs team en type fotonisk mikroresonator, der er kendt for at have en mangfoldig række af ikke-lineære optiske effekter. Især ændres mikroresonatorens brydningsindeks, når lysintensiteten varierer.

Frekvenskam

Ikke-lineære effekter kan bruges til at skabe optiske frekvenskamme. Disse er tog af korte lysimpulser, der har optiske spektre, der omfatter spidser med jævnt fordelte frekvenser - der ligner tænderne på en kam.

"Sådanne kamme er blevet intensivt undersøgt, ikke kun med hensyn til grundlæggende spatiotemporal mønsterdannelsesdynamik, men også teknologisk i et stadigt voksende antal anvendelser," siger Yang. "Nu kobler vi sådanne ikke-lineære optiske tilstande i mikroresonatorer med elektronstrålen i et elektronmikroskop."

I deres eksperiment blev mikroresonatoren integreret på en chip og drevet af en kontinuerlig bølgelaser. Enheden skabte frekvens-kam-impulser kaldet dissipative Kerr-solitoner. En elektron-mikroskopstråle blev sendt gennem en del af mikroresonatoren, hvor den interagerede med lyset. Dette forårsagede distinkte karakteristika for kamimpulser, der blev indprentet på elektronstrålen - karakteristika, som holdet var i stand til at observere.

Kerr solitoner

Yang beskriver deres succes, "vi var i stand til at generere dissipative Kerr-solitoner on-site, og spektralt identificere elektroner, der har interageret med femtosecond soliton-pulsen. Derudover sonderer vi solitonegenskaberne direkte fra elektronspektrene og henter kendetegnene for solitondannelse."

Yang mener, at holdets forskning vil blive bygget på. "Vores arbejde frigør potentialet til at sondere ultrahurtig transient ikke-lineær optisk dynamik med nanometer-femtosekund spatiotemporal opløsning og direkte adgang til intrakavitetsfeltet," forklarer han. "Dette kan hjælpe undersøgelsen og udviklingen af ​​nøgleprocesser og komponenter i ikke-lineær integreret fotonik."

Deres tilgang kunne også give forskere mulighed for at skabe on-chip-enheder, der genererer helt nye optiske bølgeformer - hvilket ville give nye muligheder for avanceret kontrol af elektroner.

Ydermere, ved at udnytte interaktioner mellem frie elektroner og Kerr-solitoner på tidsskalaer, der er kortere end 100 fs, kunne effekten skubbe elektronmikroskopi til kortere tidsskalaer uden større ændringer i eksisterende mikroskopdesign.

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden