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„Diese Studie demonstriert die Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und nichtlinearer Optik, erzeugt optische Solitonen im Elektronenmikroskop und ermöglicht das ultraschnelle Gating von Elektronenstrahlen, wodurch die Anwendung optischer Mikrokavitätsfrequenzkämme auf die Steuerung freier Elektronen ausgeweitet wird. Ein völlig neues Feld.“

Zu seiner wissenschaftlichen Dissertation sagte Yang Yujia, Absolvent der Zhejiang-Universität, Doktorand am Massachusetts Institute of Technology in den Vereinigten Staaten und Postdoktorand an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz.

Bild |. Yang Yujia (Quelle: Yang Yujia)

In der Studie platzierten sie eine auf dem Chip integrierte optische Mikrokavität aus hochwertigem Siliziumnitrid in einem Transmissionselektronenmikroskop.

Unter Ausnutzung der nichtlinearen Reaktion dritter Ordnung optischer Mikrokavitäten wird eine Reihe nichtlinearer optischer Zustände erzeugt, darunter dissipative Kerr-Solitonen, Turing-Muster, chaotische Modulationsinstabilität usw.

Für diese optischen Zustände entsprechen sie unterschiedlichen Modi der räumlich-zeitlichen Modulation des Lichtfelds in der Mikrokavität und können hinsichtlich der Frequenz kohärente oder inkohärente optische Frequenzkämme der Mikrokavität bilden.

Durch die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und diesen nichtlinearen optischen Zuständen entdeckten Yang Yujia und andere die charakteristischen „Fingerabdrücke“, die diese optischen Zustände im Energiespektrum der freien Elektronen hinterlassen.

Insbesondere dissipative Kerr-Solitonen können in Mikrokavitäten optische Solitonen mit Pulszeiten unter 100 fs und Wiederholungsfrequenzen über 100 GHz bilden.

Gleichzeitig untersuchten er und sein Team in dieser Arbeit auch die ultraschnelle Steuerung freier Elektronenstrahlen durch dieses optische Soliton.

(Quelle: Wissenschaft)

Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieses Projekts in drei Aspekten Anwendung finden:

Erstens können für die nichtlineare optische Dynamik, insbesondere die nichtlineare integrierte Optik, Detektions- und Charakterisierungstechnologien auf Basis freier Elektronen entwickelt werden.

Dies kann nicht nur herkömmliche Photonik-Messmethoden wirksam ergänzen, sondern auch einzigartige Vorteile wie ultrahohe räumliche Auflösung, direkte Interaktion mit Lichtfeldern auf dem Chip oder innerhalb der Mikrokavität und nicht-invasive Messung aufweisen.

Zweitens: Entwicklung einer ultraschnellen Elektronenmikroskopie-Technologie auf der Grundlage der herkömmlichen Elektronenmikroskopie-Technologie.

In dieser Arbeit erreichten Yang Yujia und seine Forschungsgruppe eine ultraschnelle Licht-Elektronen-Wechselwirkung durch den Einsatz optischer Solitonenpulse im Femtosekundenbereich in integrierten optischen Mikrokavitäten.

Darauf aufbauend soll eine ultraschnelle Elektronenmikroskopie-Technologie entwickelt werden, die auf der konventionellen Elektronenmikroskopie basiert.

Es wird erwartet, dass diese Technologie in der Lage sein wird, kontinuierliche Elektronenstrahlen, kontinuierliche Laser und integrierte optische Chips zu verwenden, wodurch die Notwendigkeit teurerer modengekoppelter Femtosekundenlaser entfällt.

Darüber hinaus kann die Technologie der ultraschnellen Elektronenmikroskopie für die Abbildung der Materialstruktur, der ultraschnellen Dynamik und der Licht-Materie-Wechselwirkung mit ultrahoher räumlicher und zeitlicher Auflösung eingesetzt werden.

Drittens wird es in dielektrischen Laserelektronenbeschleunigern auf dem Chip verwendet.

Integrierte optische Mikrokavitäten verfügen über einen hohen freien Spektralbereich, der GHz-THz erreichen kann.

Mithilfe einer präzise gestalteten Mikrokavitätsstruktur und der Steuerung freier Elektronen durch leichte Solitonen in der Kavität kann ein kleiner Mikroelektronenbeschleuniger mit hoher Wiederholungsfrequenz realisiert werden.

Daher wird erwartet, dass es in medizinischen Instrumenten, Industrieanlagen und wissenschaftlichen Geräten eingesetzt wird, die keine ultrahohe Elektronenenergie, aber kompakte Strukturen erfordern.

(Quelle: Wissenschaft)

Das Elektronenmikroskop, das zwei Nobelpreise hervorbrachte

Berichten zufolge finden freie Elektronen umfangreiche und weitreichende Anwendungen in der modernen Wissenschaft und Technologie.

Zu diesen Anwendungen gehören Elektronenmikroskope, Teilchenbeschleuniger, Freie-Elektronen-Laser, Mikrowellenerzeugung und -verstärkung sowie Vakuumröhren.

Insbesondere für Elektronenmikroskope können Elektronenmikroskope aufgrund der ultrakurzen De-Broglie-Wellenlänge freier Elektronen und ihrer starken Wechselwirkung mit Materie Bildgebungs-, Beugungs- und Energiespektroskopietechnologien mit ultrahoher räumlicher Auflösung auf atomarer Ebene erreichen.

Derzeit werden Elektronenmikroskope häufig in Bereichen wie der Materialwissenschaft und der Strukturbiologie eingesetzt.

Relevante Wissenschaftler gewannen außerdem 1986 den Nobelpreis für Physik für ihre Ergebnisse der Transmissionselektronenmikroskopie und 2017 den Nobelpreis für Chemie für ihre Ergebnisse der Kryo-Elektronenmikroskopie.

In den letzten Jahren wurde die Wechselwirkung freier Elektronen und Photonen durch die Einführung nanooptischer Strukturen in Elektronenmikroskopen realisiert.

Auf dieser Grundlage wurde eine Reihe neuer Errungenschaften erzielt, darunter ultraschnelle Elektronenmikroskopie, quantenkohärente Regulierung freier Elektronen, Attosekunden-Elektronenpulse, On-Chip-Elektronenbeschleuniger und neue Lichtquellen für freie Elektronen.

Allerdings wurde die Wechselwirkung nichtlinearer optischer Eigenschaften optischer Materialien und optischer Strukturen bei freien Elektron-Photon-Wechselwirkungen selten untersucht.

Wie kam Yang Yujia also zu diesem Forschungsgebiet? Dies muss mit seinen Lesetagen beginnen.

Er schloss sein Studium an der Zhejiang-Universität mit einem Bachelor-Abschluss ab und erhielt einen Master- und Doktorgrad vom Massachusetts Institute of Technology in den Vereinigten Staaten. Während seines Doktoratsstudiums beschäftigte er sich hauptsächlich mit Nanooptik, ultraschneller Optik, Freie-Elektronen-Physik und Quantenphysik.

Während er die Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und nanooptischen Strukturen untersuchte, stellte er fest, dass integrierte optische Mikrokavitäten mit hohen Qualitätsfaktoren im Vergleich zu nanooptischen Antennen mit geringeren Qualitätsfaktoren die Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und Photonen voraussichtlich erheblich verbessern werden.

Als Yang Yujia über Postdoktoranden-Forschungsthemen nachdachte, kontaktierte er Professor Tobias J. Kippenberg von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz, einen bekannten Wissenschaftler auf dem Gebiet integrierter optischer Mikrokavitäten.

Danach erhielt Yang Yujia auch eine Projektförderung durch die „Marie Curie Scholars“ der Europäischen Union.

(Quelle: Wissenschaft)

Mit einem Koffer voller Instrumente einen Zug zwischen Deutschland und der Schweiz nehmen

Zu dieser Zeit arbeitete Professor Kippenberg zufällig an einem Gemeinschaftsprojekt mit Professor Claus Ropers vom Max-Planck-Institut in Deutschland.

Deshalb lud Professor Kippenberg Yang Yujia ein, sich seiner Forschungsgruppe für die Postdoktorandenforschung anzuschließen.

Im Jahr 2021 entwickelten die Kippenberg-Forschungsgruppe von Yang Yujia und die Ropers-Forschungsgruppe gemeinsam eine neue experimentelle Plattform.

Dabei kombinierten sie ein Transmissionselektronenmikroskop mit einem integrierten optischen Chip und verwendeten eine optische Mikrokavität mit hohem Qualitätsfaktor, um eine starke Phasenkontrolle von Lichtwellen geringer Leistung auf die Wellenfunktion freier Elektronen zu demonstrieren [1]. Natur.

Im Jahr 2022 nutzten sie eine ähnliche experimentelle Plattform sowie die Detektion einzelner Elektronen und einzelner Photonen, um Elektron-Photonen-Paare zu demonstrieren, die durch freie Elektronen in einer integrierten optischen Mikrokavität erzeugt wurden [2], und entsprechende Artikel wurden in Science veröffentlicht.

In den oben genannten Studien nutzten sie jedoch nur die lineare optische Reaktion des integrierten optischen Chips und der optischen Mikrokavität, nicht jedoch die nichtlinearen optischen Eigenschaften der optischen Mikrokavität.

Für das Team von Yang Yujia dreht sich der Großteil der Forschung um nichtlineare integrierte Optik.

Daher wollen sie bei der Untersuchung freier Elektronen-Photon-Wechselwirkungen auch die Steuerung des freien Elektronenstrahls durch die nichtlineare optische Reaktion des integrierten optischen Chips untersuchen, um die Lücke im Feld zu schließen.

Bei dieser Forschung kam Yang Yujia zunächst zur Forschungsgruppe deutscher Mitarbeiter, um Experimente durchzuführen.

Er fand jedoch heraus, dass der Qualitätsfaktor der optischen Mikrokavität im Elektronenmikroskop verringert würde, was zu nur einem Multi-Soliton-Zustand anstelle eines einzelnen Soliton-Zustands führen würde, d. h., es gibt nur einen optischen Soliton-Puls in der Mikrokavität.

Nach ihrer Rückkehr in die Schweiz bereiteten Yang Yujia und andere eine Reihe integrierter optischer Mikrokavitätschips mit einem höheren Qualitätsfaktor vor und beschlossen, die Einseitenbandmodulation zu verwenden, um eine schnelle Abtastung der Laserfrequenz zu erreichen, sodass einzelne Solitonzustände einfacher erhalten werden konnten.

Im April 2022 kamen Yang Yujia und sein Kollege Arslan S. Raja erneut aus der Schweiz zur Forschungsgruppe von Professor Ropers nach Deutschland und erzeugten erstmals einen einzelnen Solitonenzustand in einem Elektronenmikroskop.

Der Erfolg dieses Experiments hat alle sehr aufgeregt. Bei der anschließenden Datenanalyse wies Professor Kippenberg jedoch darauf hin, dass das spontane Emissionsrauschen nicht herausgefiltert wurde, wenn im Experiment ein optischer Verstärker zur Steigerung der Laserleistung eingesetzt wurde.

Obwohl dieses kleine Problem keinen Einfluss auf die Richtigkeit und Wissenschaftlichkeit des gesamten Experiments hat, hat es Auswirkungen auf die Interpretation der experimentellen Ergebnisse.

Im Juli 2022 kamen Yang Yujia und andere erneut nach Deutschland, wiederholten die vorherige experimentelle Arbeit, filterten das spontane Strahlungsrauschen ordnungsgemäß heraus und schlossen schließlich alle Datenerfassungsarbeiten ab.

„Um grenzüberschreitende gemeinsame Experimente durchzuführen, trugen mein Kollege Arslan und ich viele Male zwei große Koffer voller experimenteller Ausrüstung und fuhren sieben bis zehn Stunden (oft verspätet) mit dem Zug zwischen Göttingen in Deutschland und Lausanne in der Schweiz“, sagte Yang Yujia .

Anschließend schloss Yang Yujia die Datenverarbeitung und Datenanalyse dieser Studie ab und nutzte theoretische Simulationsmethoden, um die experimentellen Ergebnisse zu reproduzieren und den zugrunde liegenden Mechanismus zu erklären.

Schließlich wurde der entsprechende Artikel in Science [3] mit dem Titel „Free-electron interaction with nonlinear Optical States in Microresonators“ veröffentlicht.

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke und F. Jasmin Kappert sind die Co-Autoren.

Als Mitautoren fungieren Yang Yujia, Professor Tobias J. Kippenberg von der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in der Schweiz und Professor Claus Ropers vom Max-Planck-Institut in Deutschland.

Abbildung |. Verwandte Artikel (Quelle: Science)

Im gleichen Zeitraum veröffentlichte Science auch einen Artikel von Professor Albert Polman vom Niederländischen Institut für Atom- und Molekularphysik und F. Javier Garcia de Abajo vom Spanischen Institut für Photonenwissenschaft. Der Meinungsartikel [4] wurde vom Professor gemeinsam verfasst lobte es als bahnbrechende Innovation, die freie Elektronen und nichtlineare Optik kombiniert.

Im nächsten Schritt werden Yang Yujia und andere die Detektion freier Elektronen an anderen nichtlinearen integrierten optischen Geräten und Dynamiken durchführen, beispielsweise die Detektion von On-Chip-Lasern, optischen Verstärkern, dunklen Solitonen und Superkontinuumsspektren.

Gleichzeitig hofft er auch, dass er nach Abschluss seiner Postdoktorandenforschung nach China zurückkehren kann, um ein forschungsübergreifendes Labor aufzubauen, das das weltweit führende Niveau erreichen und Elektronenmikroskope und Photonik-Chips erforschen kann.

Verweise:

1. Henke, J.-W. et al. Integrierte Photonik ermöglicht kontinuierliche Elektronenstrahl-Phasenmodulation. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. et al. Hohlraumvermittelte Elektron-Photon-Paare. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et al. Freie Elektronenwechselwirkung mit nichtlinearen optischen Zuständen in Mikroresonatoren. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Elektronen fangen Lichtimpulse im Flug ein. Science 383, 148–149 (2024).

Satz: Liu Yakun

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