Nieliniowe stany optyczne są odciśnięte na wiązce elektronów – Świat Fizyki

<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 i in./DOI: 10.1126/science.adk2489)”>

Naukowcy ze Szwajcarii i Niemiec wykorzystali interakcję między swobodnymi elektronami a nieliniowymi stanami optycznymi do opracowania wiązki elektronów, którą można by wykorzystać w nowych typach mikroskopii. Zespołem dowodził Yujia Yang w EPFL.

Mikroskopy elektronowe wykorzystują skupione wiązki wolnych elektronów do wykonywania zdjęć ze znacznie wyższą rozdzielczością przestrzenną niż instrumenty optyczne. Lasery wytwarzające ultrakrótkie impulsy pozwalają naukowcom badać zjawiska zachodzące w bardzo krótkich skalach czasowych. Przez dziesięciolecia obie techniki były bardzo przydatne dla naukowców. Niedawno badacze połączyli obie technologie, aby stworzyć jeszcze potężniejsze metody eksperymentalne manipulujące wiązkami elektronów w ultrakrótkich skalach czasowych.

Nieliniowe możliwości

Jak wyjaśnia Yang, istnieje jednak jeden szczególnie ważny obszar, którego najnowsze osiągnięcia nie dotknęły dotychczas.

„Nieliniowe zjawiska optyczne mają ogromne znaczenie zarówno w nauce, jak i technologii i zwiastowały liczne przełomy. Jednak rzadko badano eksperymentalnie zastosowanie nieliniowych efektów optycznych do kontrolowania wiązek wolnych elektronów; nie badano też eksperymentalnie wykorzystania wolnych elektronów do badania dynamiki nieliniowej.

Efekty nieliniowe występują, gdy światło zmienia właściwości optyczne materiału, co z kolei wpływa na interakcję tego światła z materiałem. Zwykle ma to miejsce przy dużym natężeniu światła i w materiałach takich jak kryształy fotoniczne, które można zaprojektować tak, aby miały określone właściwości nieliniowe.

Aby połączyć fotonikę nieliniową z mikroskopią elektronową, zespół Yang zastosował rodzaj mikrorezonatora fotonicznego, o którym wiadomo, że zapewnia różnorodny wachlarz nieliniowych efektów optycznych. W szczególności współczynnik załamania światła mikrorezonatora zmienia się wraz ze zmianą natężenia światła.

Grzebień częstotliwości

Efekty nieliniowe można wykorzystać do tworzenia optycznych grzebieni częstotliwości. Są to ciągi krótkich impulsów świetlnych, których widmo optyczne składa się z kolców o równomiernie rozmieszczonych częstotliwościach – przypominających zęby grzebienia.

„Takie grzebienie były intensywnie badane nie tylko pod kątem podstawowej dynamiki tworzenia się wzorów przestrzenno-czasowych, ale także pod względem technologicznym w coraz większej liczbie zastosowań” – mówi Yang. „Teraz łączymy takie nieliniowe stany optyczne w mikrorezonatorach z wiązką elektronów w mikroskopie elektronowym”.

W ich eksperymencie mikrorezonator został zintegrowany z chipem i napędzany laserem o fali ciągłej. Urządzenie wytworzyło impulsy grzebienia częstotliwości zwane rozpraszającymi solitonami Kerra. Wiązka mikroskopu elektronowego została wysłana przez część mikrorezonatora, gdzie weszła w interakcję ze światłem. Spowodowało to odciśnięcie wyraźnych cech impulsów grzebieniowych na wiązce elektronów – cechy, które zespół był w stanie zaobserwować.

Solity Kerra

Yang opisuje ich sukces: „Udało nam się wygenerować rozpraszające solitony Kerra in situi spektralnie zidentyfikować elektrony, które oddziaływały z femtosekundowym impulsem solitonu. Ponadto bezpośrednio badamy właściwości solitonu na podstawie widm elektronów i uzyskujemy charakterystyczne sygnatury powstawania solitonu”.

Molekularny drążek pomiarowy może ulepszyć mikroskopię o super rozdzielczości

Yang wierzy, że badania zespołu zostaną wykorzystane. „Nasza praca uwalnia potencjał badania ultraszybkiej, przejściowej, nieliniowej dynamiki optycznej z rozdzielczością czasoprzestrzenną wynoszącą nanometry i femtosekundy oraz bezpośredniego dostępu do pola wewnątrzjamowego” – wyjaśnia. „Mogłoby to pomóc w badaniu i opracowywaniu kluczowych procesów i komponentów nieliniowej zintegrowanej fotoniki”.

Ich podejście mogłoby również pozwolić naukowcom na stworzenie urządzeń na chipie, które generują całkowicie nowe kształty fal optycznych, co zapewniłoby nowe możliwości zaawansowanej kontroli elektronów.

Co więcej, dzięki wykorzystaniu interakcji pomiędzy swobodnymi elektronami i solitonami Kerra w skalach czasowych krótszych niż 100 fs, efekt ten mógłby popchnąć mikroskopię elektronową do krótszych skal czasowych bez większych zmian w istniejących konstrukcjach mikroskopów.

Badania opisano w nauka.

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