Gli stati ottici non lineari sono impressi su un fascio di elettroni – Physics World

<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)”>

L'interazione tra elettroni liberi e stati ottici non lineari è stata utilizzata da scienziati in Svizzera e Germania per personalizzare un fascio di elettroni che potrebbe essere utilizzato per nuovi tipi di microscopia. La squadra era guidata da Yujia Yang all'EPFL.

I microscopi elettronici utilizzano fasci focalizzati di elettroni liberi per acquisire immagini con una risoluzione spaziale molto più elevata rispetto agli strumenti ottici. I laser che forniscono impulsi ultracorti consentono ai ricercatori di studiare fenomeni che si verificano su scale temporali molto brevi. Per decenni entrambe le tecniche sono state molto utili agli scienziati. Più recentemente, i ricercatori hanno combinato le due tecnologie per creare metodi sperimentali ancora più potenti che manipolano i fasci di elettroni su scale temporali ultrabrevi.

Opportunità non lineari

Eppure c’è un’area particolarmente importante che finora non è stata toccata da questi ultimi progressi, come spiega Yang.

“I fenomeni ottici non lineari sono di fondamentale importanza sia nella scienza che nella tecnologia e hanno annunciato numerose scoperte. Tuttavia, l'uso di effetti ottici non lineari per controllare i fasci di elettroni liberi è stato raramente studiato sperimentalmente; né è stato studiato sperimentalmente l’uso di elettroni liberi per sondare la dinamica non lineare”.

Gli effetti non lineari si verificano quando la luce modifica le proprietà ottiche di un materiale, che a sua volta influenza il modo in cui la luce interagisce con il materiale. Ciò di solito si verifica con intensità di luce elevate e in materiali come i cristalli fotonici, che possono essere progettati per avere proprietà non lineari specifiche.

Per combinare la fotonica non lineare con la microscopia elettronica, il team di Yang ha utilizzato un tipo di microrisonatore fotonico noto per avere una vasta gamma di effetti ottici non lineari. In particolare, l'indice di rifrazione del microrisonatore cambia al variare dell'intensità della luce.

Pettine di frequenza

Gli effetti non lineari possono essere utilizzati per creare pettini di frequenza ottica. Si tratta di treni di brevi impulsi luminosi che hanno spettri ottici comprendenti picchi a frequenze equidistanti, simili ai denti di un pettine.

"Tali pettini sono stati studiati intensamente non solo rispetto alle dinamiche fondamentali della formazione di modelli spaziotemporali, ma anche tecnologicamente in un numero sempre crescente di applicazioni", afferma Yang. “Ora, accoppiamo questi stati ottici non lineari nei microrisonatori con il fascio di elettroni in un microscopio elettronico”.

Nel loro esperimento, il microrisonatore è stato integrato su un chip e azionato da un laser a onda continua. Il dispositivo ha creato impulsi a pettine di frequenza chiamati solitoni dissipativi di Kerr. Un raggio del microscopio elettronico è stato inviato attraverso una parte del microrisonatore, dove ha interagito con la luce. Ciò ha causato l’impronta di caratteristiche distinte degli impulsi del pettine sul fascio di elettroni, caratteristiche che il team è stato in grado di osservare.

Solitoni di Kerr

Yang descrive il loro successo: “siamo stati in grado di generare solitoni di Kerr dissipativi on-sitee identificare spettralmente gli elettroni che hanno interagito con l'impulso del solitone a femtosecondi. Inoltre, analizziamo direttamente le proprietà dei solitoni dagli spettri elettronici e recuperiamo le firme distintive della formazione dei solitoni”.

Il misuratore molecolare potrebbe far avanzare la microscopia a super risoluzione

Yang ritiene che la ricerca del team verrà sviluppata ulteriormente. «Il nostro lavoro sblocca il potenziale per sondare dinamiche ottiche non lineari transitorie ultraveloci con risoluzione spaziotemporale nanometrica-femtosecondo e per accedere direttamente al campo intracavitario», spiega. “Ciò potrebbe aiutare la ricerca e lo sviluppo di processi e componenti chiave nella fotonica integrata non lineare”.

Il loro approccio potrebbe anche consentire ai ricercatori di creare dispositivi su chip che generano forme d’onda ottiche completamente nuove, il che offrirebbe nuove possibilità per il controllo avanzato degli elettroni.

Inoltre, sfruttando le interazioni tra elettroni liberi e solitoni di Kerr su scale temporali inferiori a 100 fs, l’effetto potrebbe spingere la microscopia elettronica su scale temporali più brevi senza grandi modifiche ai progetti di microscopi esistenti.

La ricerca è descritta in Scienze.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/nonlinear-optical-states-are-imprinted-on-an-electron-beam/