uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

"Tämä tutkimus osoittaa vapaiden elektronien ja epälineaarisen optiikan välisen vuorovaikutuksen, tuottaa optisia solitoneja elektronimikroskoopissa ja mahdollistaa elektronisuihkujen ultranopean portituksen, mikä laajentaa mikroonteloiden optisten taajuuskampojen käyttöä vapaiden elektronien ohjaukseen. Täysin uusi kenttä."

Yang Yujia, Zhejiangin yliopiston alumni, tohtorintutkinto Massachusetts Institute of Technologysta Yhdysvalloista ja tohtorintutkija Ecole Polytechnique Fédérale de Lausannessa Sveitsissä, sanoi tiedetyöstään Yang Yujia.

Kuva |. Yang Yujia (Lähde: Yang Yujia)

Tutkimuksessa he asettivat sirulle integroidun korkealaatuisen piinitridi-optisen mikroontelon transmissioelektronimikroskooppiin.

Optisten mikroonteloiden kolmannen asteen epälineaarista vastetta käyttämällä luodaan sarja epälineaarisia optisia tiloja, mukaan lukien dissipatiiviset Kerr-solitonit, Turing-kuviot, kaoottisen modulaation epävakaus jne.

Näille optisille tiloille ne vastaavat mikroontelon valokentän spatiotemporaalisen modulaation erilaisia ​​tiloja ja voivat muodostaa koherentteja tai epäkoherentteja mikroontelon optisia taajuuksia.

Tutkimalla vapaiden elektronien ja näiden epälineaaristen optisten tilojen välistä vuorovaikutusta Yang Yujia ja muut havaitsivat näiden optisten tilojen jättämät ominaiset "sormenjäljet" vapaiden elektronien energiaspektrissä.

Erityisesti dissipatiiviset Kerr-solitonit voivat muodostaa optisia solitoneja mikroonteloissa, joiden pulssiajat ovat alle 100 fs ja toistotaajuudet yli 100 GHz.

Samaan aikaan hän ja hänen tiiminsä tutkivat tässä työssä myös vapaiden elektronisuihkujen ultranopeaa ohjausta tällä optisella solitonilla.

(Lähde: Science)

Tämän hankkeen tuloksia odotetaan käytettävän kolmella tavalla:

Ensinnäkin epälineaariseen optiseen dynamiikkaan, erityisesti epälineaariseen integroituun optiikkaan, voidaan kehittää vapaisiin elektroneihin perustuvaa ilmaisu- ja karakterisointitekniikkaa.

Tämä ei voi ainoastaan ​​täydentää tehokkaasti perinteisiä fotoniikan mittausmenetelmiä, vaan myös osoittaa ainutlaatuisia etuja, kuten erittäin korkean avaruudellisen resoluution, suoran vuorovaikutuksen sirulla olevien tai mikrokaviteetin sisäisten valokenttien kanssa ja ei-invasiivisen mittauksen.

Toiseksi kehittää ultranopeaa elektronimikroskopiatekniikkaa, joka perustuu tavanomaiseen elektronimikroskopiatekniikkaan.

Tässä työssä Yang Yujia ja hänen tutkimusryhmänsä saavuttivat ultranopean valo-elektronivuorovaikutuksen käyttämällä femtosekunnin optisia solitonipulsseja integroiduissa optisissa mikroonteloissa.

Tämän perusteella odotetaan kehittävän tavanomaiseen elektronimikroskopiaan perustuvaa ultranopeaa elektronimikroskopiateknologiaa.

Tämän tekniikan odotetaan pystyvän käyttämään jatkuvia elektronisäteitä, jatkuvia lasereita ja integroituja optisia siruja, mikä eliminoi kalliimpien femtosekuntimoodilla lukittujen lasereiden tarpeen.

Lisäksi ultranopeaa elektronimikroskopiatekniikkaa voidaan käyttää materiaalin rakenteen, ultranopean dynamiikan ja valo-aineen vuorovaikutuksen ultrakorkean spatiaalisen ja ajallisen resoluution kuvaamiseen.

Kolmanneksi sitä käytetään sirussa olevissa dielektrisissä laserelektronikiihdyttimissä.

Integroiduilla optisilla mikroonteloilla on korkea vapaa spektrialue, joka voi saavuttaa GHz-THz.

Täsmällisesti suunniteltua mikroontelorakennetta ja vapaiden elektronien hallintaa ontelon valosolitoneilla käyttämällä voidaan toteuttaa pienikokoinen, korkean toistotaajuuden omaava mikroelektronikiihdytin.

Siksi sitä odotetaan käytettävän lääketieteellisissä instrumenteissa, teollisuuslaitteissa ja tieteellisissä laitteissa, jotka eivät vaadi ultrasuuria elektronienergiaa, mutta vaativat kompakteja rakenteita.

(Lähde: Science)

Elektronimikroskooppi, joka poiki kaksi Nobel-palkintoa

Raporttien mukaan vapailla elektroneilla on laajoja ja kauaskantoisia sovelluksia nykyaikaisessa tieteessä ja teknologiassa.

Näitä sovelluksia ovat elektronimikroskoopit, hiukkaskiihdyttimet, vapaiden elektronien laserit, mikroaaltojen generointi ja vahvistus sekä tyhjiöputket.

Erityisesti elektronimikroskopeissa vapaiden elektronien erittäin lyhyen de Broglien aallonpituuden ja niiden voimakkaan vuorovaikutuksen vuoksi elektronimikroskoopeilla voidaan saavuttaa atomitason ultrakorkean spatiaalisen resoluution kuvantamis-, diffraktio- ja energiaspektroskopiatekniikoita.

Tällä hetkellä elektronimikroskopeja on käytetty laajalti sellaisilla aloilla kuin materiaalitiede ja rakennebiologia.

Asianomaiset tutkijat voittivat myös vuoden 1986 fysiikan Nobelin siirtoelektronimikroskooppituloksistaan ​​ja vuoden 2017 kemian Nobelin kryoelektronimikroskoopin tuloksistaan.

Viime vuosina vapaiden elektronien ja fotonien vuorovaikutus on toteutettu ottamalla käyttöön nano-optisia rakenteita elektronimikroskopeissa.

Tämän perusteella on saavutettu sarja uusia saavutuksia, mukaan lukien ultranopea elektronimikroskopia, kvanttikoherentti vapaiden elektronien säätö, attosekunnin elektronipulssit, sirulla sijaitsevat elektronikiihdytit ja uudet vapaiden elektronien valonlähteet.

Optisten materiaalien ja optisten rakenteiden epälineaaristen optisten ominaisuuksien vuorovaikutusta vapaiden elektronien ja fotonien vuorovaikutuksessa on kuitenkin harvoin tutkittu.

Joten miten Yang Yujia tuli tälle tutkimusalalle? Tämän on aloitettava hänen lukupäivistään.

Hän valmistui Zhejiangin yliopistosta kandidaatin tutkinnolla ja suoritti maisterin ja tohtorin tutkinnot Massachusetts Institute of Technologysta Yhdysvalloissa. Tohtoriopintojensa aikana hän opiskeli pääasiassa nanooptiikkaa, ultranopeaa optiikkaa, vapaiden elektronien fysiikkaa ja kvanttifysiikkaa.

Tutkiessaan vapaiden elektronien ja nanooptisten rakenteiden välistä vuorovaikutusta hän tajusi, että verrattuna nanooptisiin antenneihin, joilla on huonommat laatutekijät, integroitujen optisten mikroonteloiden, joissa on korkea laatutekijä, odotettiin parantavan suuresti vapaiden elektronien ja fotonien välistä vuorovaikutusta.

Siksi Yang Yujia pohtiessaan tohtorintutkintoon liittyviä tutkimusaiheita otti yhteyttä professori Tobias J. Kippenbergiin Ecole Polytechnique Fédérale de Lausannesta Sveitsistä, joka on tunnettu tutkija integroitujen optisten mikroonteloiden alalla.

Sen jälkeen Yang Yujia sai myös hankerahoitusta Euroopan unionin "Marie Curie Scholars" -järjestöltä.

(Lähde: Science)

Matkusta junalla Saksan ja Sveitsin välillä matkalaukku täynnä instrumentteja

Tuolloin professori Kippenberg työskenteli yhteistyöprojektissa professori Claus Ropersin kanssa Max Planck -instituutista Saksasta.

Joten professori Kippenberg kutsui Yang Yujia liittymään tutkimusryhmäänsä tutkijatohtorin tutkimukseen.

Vuonna 2021 Yang Yujian Kippenberg-tutkimusryhmä ja Ropers-tutkimusryhmä kehittivät yhdessä uuden kokeellisen alustan.

Tämän avulla he yhdistivät transmissioelektronimikroskoopin integroituun optiseen siruun ja käyttivät korkealaatuista optista mikroonteloa osoittaakseen voimakkaan vaiheen ohjauksen pienitehoisille valoaalloille vapaan elektroniaallon funktiossa [1] Luonto.

Vuonna 2022 he käyttivät samanlaista kokeellista alustaa sekä yhden elektronin ja yhden fotonin havaitsemista vapaan elektronien tuottamien elektroni-fotoni-parien osoittamiseen integroidussa optisessa mikroontelossa [2], ja asiaan liittyviä artikkeleita julkaistiin Science-lehdessä.

Yllä olevissa tutkimuksissa he käyttivät kuitenkin vain integroidun optisen sirun ja optisen mikroontelon lineaarista optista vastetta, mutta eivät käyttäneet optisen mikroontelon epälineaarisia optisia ominaisuuksia.

Yang Yujian tiimille suurin osa heidän tutkimuksestaan ​​liittyy epälineaariseen integroituun optiikkaan.

Siksi vapaiden elektronien ja fotonien vuorovaikutuksia tutkiessaan he haluavat myös tutkia vapaan elektronisuihkun hallintaa integroidun optisen sirun epälineaarisen optisen vasteen avulla kentän aukon täyttämiseksi.

Tässä tutkimuksessa Yang Yujia tuli ensin saksalaisten yhteistyökumppaneiden tutkimusryhmään suorittamaan kokeita.

Hän kuitenkin havaitsi, että optisen mikroontelon laatutekijä pienentyisi elektronimikroskoopissa, jolloin tuloksena olisi vain monisolitoninen tila yhden solitonitilan sijaan, eli mikroontelossa on vain yksi optinen solitonipulssi.

Palattuaan Sveitsiin Yang Yujia ja muut valmistivat erän integroituja optisia mikroontelosiruja, joilla oli korkeampi laatutekijä, ja päättivät käyttää yhden sivukaistan modulaatiota lasertaajuuden nopean pyyhkäisyn saavuttamiseksi, jotta yksittäisten solitonitilojen saaminen olisi helpompaa.

Huhtikuussa 2022 Yang Yujia ja hänen kollegansa Arslan S. Raja tulivat jälleen Sveitsistä professori Ropersin tutkimusryhmään Saksaan ja synnyttivät ensimmäistä kertaa yhden solitonitilan elektronimikroskoopissa.

Tämän kokeilun onnistuminen sai kaikki innostumaan. Myöhemmässä data-analyysissä professori Kippenberg kuitenkin huomautti, että spontaania emissiokohinaa ei suodatettu pois käytettäessä optista vahvistinta lasertehon lisäämiseksi kokeessa.

Vaikka tämä pieni ongelma ei vaikuta koko kokeen oikeellisuuteen ja tieteellisyyteen, se vaikuttaa koetulosten tulkintaan.

Heinäkuussa 2022 Yang Yujia ja muut tulivat jälleen Saksaan, toistivat edellisen kokeellisen työn, suodattivat kunnolla spontaanin säteilymelun ja saivat lopulta päätökseen kaikki tiedonkeruutyöt.

"Rajat ylittävien yhteistyökokeilujen suorittamiseksi kollegani Arslan ja minä kannoimme kahta suurta matkalaukkua, jotka oli täynnä koelaitteita monta kertaa ja kuljimme 7-10 tunnin (usein myöhässä) junat Göttingenin, Saksan ja Lausannen, Sveitsin välillä", sanoi Yang Yujia. .

Myöhemmin Yang Yujia suoritti tämän tutkimuksen tietojenkäsittelyn ja data-analyysin ja käytti teoreettisia simulaatiomenetelmiä koetulosten toistamiseen ja taustalla olevan mekanismin selittämiseen.

Lopuksi aiheeseen liittyvä artikkeli julkaistiin Sciencessä [3] otsikolla "Vapaiden elektronien vuorovaikutus epälineaaristen optisten tilojen kanssa mikroresonaattoreissa".

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke ja F. Jasmin Kappert ovat mukana kirjoittajia.

Yang Yujia, professori Tobias J. Kippenberg Ecole Polytechnique Fédérale de Lausannesta, Sveitsistä, ja professori Claus Ropers Max Planck Institutesta Saksasta toimivat rinnakkaiskirjoittajina.

Kuva | Aiheeseen liittyvät artikkelit (Lähde: Science)

Samaan aikaan Science julkaisi myös professorin Albert Polmanin Alankomaiden atomi- ja molekyylifysiikan instituutista ja F. Javier Garcia de Abajon Espanjan fotonitieteen instituutista Professorin kirjoittaman mielipideartikkelin [4] kehui sitä häiritsevänä innovaationa, joka yhdistää vapaat elektronit ja epälineaarisen optiikan.

Seuraavassa vaiheessa Yang Yujia ja muut suorittavat vapaiden elektronien havaitsemisen muissa epälineaarisissa integroiduissa optisissa laitteissa ja dynamiikassa, kuten sirulla olevien lasereiden, optisten vahvistimien, tummien solitonien ja superjatkuvuusspektrien havaitsemisessa.

Samalla hän toivoo myös, että tohtorintutkinnon jälkeen hän voi palata Kiinaan perustamaan ristiintutkimuslaboratorion, joka voi saavuttaa maailman johtavan tason ja tutkia elektronimikroskooppeja ja fotoniikkasiruja.

Viitteet:

1. Henke, J.-W. et ai. Integroitu fotoniikka mahdollistaa jatkuvan säteen elektronivaihemodulaation. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. et ai. Onkalovälitteiset elektroni-fotoni-parit. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et ai. Vapaiden elektronien vuorovaikutus epälineaaristen optisten tilojen kanssa mikroresonaattoreissa. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Electrons sieppaa valopulsseja lennossa. Science 383, 148–149 (2024).

Ladonta: Liu Yakun

02/

03/

04/

05/