När ljus går genom ett material beter sig det ofta på oförutsägbara sätt. Detta fenomen är föremål för ett helt studieområde som kallas "ickelinjär optik", som nu är en integrerad del av tekniska och vetenskapliga framsteg från laserutveckling och optisk frekvensmetrologi, till gravitationsvågastronomi och kvantinformationsvetenskap.
Dessutom har de senaste åren sett olinjär optik tillämpad inom optisk signalbehandling, telekommunikation, avkänning, spektroskopi, ljusdetektion och avståndsavstånd. Alla dessa applikationer involverar miniatyrisering av enheter som manipulerar ljus på icke-linjära sätt på ett litet chip, vilket möjliggör komplexa ljusinteraktioner på en chipskala.
Nu har ett team av forskare vid EPFL och Max Planck Institute fört in olinjära optiska fenomen i ett transmissionselektronmikroskop (TEM), en typ av mikroskop som använder elektroner för avbildning istället för ljus. Studien leddes av professor Tobias J. Kippenberg vid EPFL och professor Claus Ropers, chef för Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences. Den är nu publicerad i Science .
I hjärtat av studien är "Kerr solitons", vågor av ljus som håller sin form och energi när de rör sig genom ett material, som en perfekt formad surfvåg som reser över havet. Denna studie använde en speciell typ av Kerr-solitoner som kallas "dissipativa", som är stabila, lokaliserade ljuspulser som varar tiotals femtosekunder (en kvadriljondels sekund) och bildas spontant i mikroresonatorn. Dissipativa Kerr-solitoner kan också interagera med elektroner, vilket gjorde dem avgörande för denna studie.
Forskarna bildade dissipativa Kerr-solitoner inuti en fotonisk mikroresonator, ett litet chip som fångar och cirkulerar ljus inuti en reflekterande hålighet, vilket skapar de perfekta förhållandena för dessa vågor. "Vi genererade olika olinjära spatiotemporala ljusmönster i mikroresonatorn som drivs av en kontinuerlig våglaser", förklarar EPFL-forskaren Yujia Yang, som ledde studien. "Dessa ljusmönster interagerade med en elektronstråle som passerade fotonchipet och lämnade fingeravtryck i elektronspektrumet."
Specifikt visade tillvägagångssättet kopplingen mellan fria elektroner och dissipativa Kerr-solitoner, vilket gjorde det möjligt för forskarna att undersöka solitons dynamik i mikroresonatorkaviteten och utföra ultrasnabb modulering av elektronstrålar.
"Vår förmåga att generera dissipativa Kerr-solitoner [DKS] i en TEM utökar användningen av mikroresonatorbaserade frekvenskammar till outforskade territorier", säger Kippenberg. "Elektron-DKS-interaktionen kan möjliggöra ultrasnabb elektronmikroskopi med hög upprepningshastighet och partikelacceleratorer som drivs av ett litet fotoniskt chip."
Ropers tillägger, "Våra resultat visar att elektronmikroskopi kan vara en kraftfull teknik för att sondera olinjär optisk dynamik på nanoskala. Denna teknik är icke-invasiv och kan direkt komma åt intrakavitetsfältet, nyckeln till att förstå olinjär optisk fysik och utveckla olinjära fotoniska enheter. "
De fotoniska chipsen tillverkades i Center of MicroNanoTechnology (CMi) och Institute of Physics renrum vid EPFL. Experimenten utfördes vid Göttingen Ultrafast Transmission Electron Microscopy (UTEM) Lab.
Mer information: Yujia Yang et al, Frielektroninteraktion med olinjära optiska tillstånd i mikroresonatorer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk2489. www.science.org/doi/10.1126/science.adk2489
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
