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"Cette étude démontre l'interaction entre les électrons libres et l'optique non linéaire, génère des solitons optiques au microscope électronique et permet un déclenchement ultrarapide des faisceaux d'électrons, étendant ainsi l'application des peignes de fréquence optique à microcavité au contrôle des électrons libres. Un tout nouveau domaine."

Concernant sa thèse scientifique, Yang Yujia, ancien élève de premier cycle de l'Université du Zhejiang, titulaire d'un doctorat du Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis et chercheur postdoctoral à l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse, a déclaré.

Photo | Yang Yujia (Source : Yang Yujia)

Dans l’étude, ils ont placé une microcavité optique en nitrure de silicium de haute qualité intégrée sur puce dans un microscope électronique à transmission.

En utilisant la réponse non linéaire du troisième ordre des microcavités optiques, une série d'états optiques non linéaires est générée, notamment des solitons de Kerr dissipatifs, des modèles de Turing, une instabilité de modulation chaotique, etc.

Pour ces états optiques, ils correspondent à différents modes de modulation spatiotemporelle du champ lumineux dans la microcavité, et peuvent former des peignes de fréquence optique de la microcavité cohérents ou incohérents en fréquence.

En étudiant l'interaction entre les électrons libres et ces états optiques non linéaires, Yang Yujia et d'autres ont détecté les « empreintes digitales » caractéristiques laissées par ces états optiques dans le spectre énergétique des électrons libres.

En particulier, les solitons Kerr dissipatifs peuvent former des solitons optiques dans des microcavités avec des temps d'impulsion inférieurs à 100 fs et des fréquences de répétition supérieures à 100 GHz.

Parallèlement, dans ce travail, lui et son équipe ont également étudié le contrôle ultrarapide des faisceaux d'électrons libres par ce soliton optique.

(Source : Sciences)

Il est prévu que les résultats de ce projet soient appliqués sous trois aspects :

Premièrement, pour la dynamique optique non linéaire, en particulier l’optique intégrée non linéaire, une technologie de détection et de caractérisation basée sur les électrons libres peut être développée.

Cela peut non seulement compléter efficacement les méthodes de mesure photoniques traditionnelles, mais également démontrer des avantages uniques tels qu'une résolution spatiale ultra-élevée, une interaction directe avec les champs lumineux sur puce ou intra-microcavité et une mesure non invasive.

Deuxièmement, développer une technologie de microscopie électronique ultrarapide basée sur la technologie de microscopie électronique conventionnelle.

Dans ce travail, Yang Yujia et son groupe de recherche ont réalisé une interaction lumière-électron ultrarapide en utilisant des impulsions de soliton optique femtoseconde dans des microcavités optiques intégrées.

Sur cette base, il est prévu de développer une technologie de microscopie électronique ultrarapide basée sur la microscopie électronique conventionnelle.

On s'attend à ce que cette technologie soit capable d'utiliser des faisceaux d'électrons continus, des lasers continus et des puces optiques intégrées, éliminant ainsi le besoin de lasers à mode verrouillé femtoseconde plus coûteux.

En outre, la technologie de microscopie électronique ultrarapide peut être utilisée pour l’imagerie à très haute résolution spatiale et temporelle de la structure des matériaux, de la dynamique ultrarapide et de l’interaction lumière-matière.

Troisièmement, il est utilisé dans les accélérateurs d’électrons laser diélectriques sur puce.

Les microcavités optiques intégrées ont une plage spectrale libre élevée pouvant atteindre les GHz-THz.

En utilisant une structure de microcavité conçue avec précision et le contrôle des électrons libres par des solitons légers dans la cavité, un accélérateur de microélectrons de petite taille et à haute fréquence de répétition peut être réalisé.

Par conséquent, il devrait être utilisé dans des instruments médicaux, des équipements industriels et des dispositifs scientifiques qui ne nécessitent pas une énergie électronique ultra-élevée mais nécessitent des structures compactes.

(Source : Sciences)

Le microscope électronique qui a donné naissance à deux prix Nobel

Selon des rapports, les électrons libres ont des applications étendues et de grande envergure dans la science et la technologie modernes.

Ces applications comprennent les microscopes électroniques, les accélérateurs de particules, les lasers à électrons libres, la génération et l'amplification de micro-ondes et les tubes à vide.

En particulier pour les microscopes électroniques, en raison de la longueur d'onde ultra-courte de De Broglie des électrons libres et de leur forte interaction avec la matière, les microscopes électroniques peuvent réaliser des technologies d'imagerie, de diffraction et de spectroscopie d'énergie à ultra-haute résolution spatiale au niveau atomique.

À l'heure actuelle, les microscopes électroniques sont largement utilisés dans des domaines tels que la science des matériaux et la biologie structurale.

Des chercheurs concernés ont également remporté le prix Nobel de physique 1986 pour leurs résultats en microscopie électronique à transmission, et le prix Nobel de chimie 2017 pour leurs résultats en microscopie cryoélectronique.

Ces dernières années, l’interaction des électrons libres et des photons a été réalisée grâce à l’introduction de structures nano-optiques dans les microscopes électroniques.

Sur cette base, une série de nouvelles réalisations ont été réalisées, notamment la microscopie électronique ultrarapide, la régulation quantique cohérente des électrons libres, les impulsions électroniques attosecondes, les accélérateurs d'électrons sur puce et les nouvelles sources de lumière à électrons libres.

Cependant, l’interaction des propriétés optiques non linéaires des matériaux optiques et des structures optiques dans les interactions électron-photon libre a rarement été explorée.

Alors, comment Yang Yujia est-il entré dans ce domaine de recherche ? Cela doit commencer dès ses jours de lecture.

Il est diplômé de l'Université du Zhejiang avec une licence et a obtenu une maîtrise et un doctorat du Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis. Durant ses études doctorales, il a principalement étudié la nano-optique, l'optique ultrarapide, la physique des électrons libres et la physique quantique.

En étudiant l’interaction entre les électrons libres et les structures nano-optiques, il s’est rendu compte que, comparées aux antennes nano-optiques présentant des facteurs de qualité inférieurs, les microcavités optiques intégrées présentant des facteurs de qualité élevés devraient améliorer considérablement l’interaction entre les électrons libres et les photons.

Par conséquent, lors de l'examen des sujets de recherche postdoctorale, Yang Yujia a contacté le professeur Tobias J. Kippenberg de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suisse, un chercheur bien connu dans le domaine des microcavités optiques intégrées.

Après cela, Yang Yujia a également reçu un financement de projet des «boursiers Marie Curie» de l'Union européenne.

(Source : Sciences)

Prendre un train entre l'Allemagne et la Suisse avec une valise pleine d'instruments

À cette époque, le professeur Kippenberg travaillait sur un projet collaboratif avec le professeur Claus Ropers de l'Institut Max Planck en Allemagne.

Le professeur Kippenberg a donc invité Yang Yujia à rejoindre son groupe de recherche pour des recherches postdoctorales.

En 2021, le groupe de recherche Kippenberg de Yang Yujia et le groupe de recherche Ropers ont développé conjointement une nouvelle plateforme expérimentale.

Grâce à cela, ils ont combiné un microscope électronique à transmission avec une puce optique intégrée et ont utilisé une microcavité optique à facteur de haute qualité pour démontrer un contrôle de phase puissant des ondes lumineuses de faible puissance sur la fonction d'onde des électrons libres [1]. Nature.

En 2022, ils ont utilisé une plate-forme expérimentale similaire, ainsi que la détection d'électrons et de photons uniques, pour démontrer les paires électron-photon générées par des électrons libres dans une microcavité optique intégrée [2], et des articles connexes ont été publiés dans Science.

Cependant, dans les études ci-dessus, ils ont utilisé uniquement la réponse optique linéaire de la puce optique intégrée et de la microcavité optique, mais n'ont pas utilisé les propriétés optiques non linéaires de la microcavité optique.

Pour l’équipe de Yang Yujia, l’essentiel des recherches porte sur l’optique intégrée non linéaire.

Par conséquent, dans l’étude des interactions électron-photon libre, ils souhaitent également explorer le contrôle du faisceau d’électrons libres par la réponse optique non linéaire de la puce optique intégrée afin de combler le vide dans le champ.

Dans cette recherche, Yang Yujia s'est d'abord rendu au groupe de recherche de collaborateurs allemands pour mener des expériences.

Cependant, il a découvert que le facteur de qualité de la microcavité optique serait réduit dans le microscope électronique, ce qui entraînerait uniquement un état multi-soliton au lieu d'un seul état soliton, c'est-à-dire qu'il n'y aurait qu'une seule impulsion optique soliton dans la microcavité.

De retour en Suisse, Yang Yujia et d'autres ont préparé un lot de puces à microcavité optique intégrées avec un facteur de qualité supérieur et ont décidé d'utiliser une modulation à bande latérale unique pour obtenir un balayage rapide de la fréquence laser afin d'obtenir plus facilement des états de soliton uniques.

En avril 2022, Yang Yujia et son collègue Arslan S. Raja sont de nouveau venus de Suisse dans le groupe de recherche du professeur Ropers en Allemagne et ont généré pour la première fois un seul état soliton dans un microscope électronique.

Le succès de cette expérience a rendu tout le monde très enthousiasmé. Cependant, lors d'une analyse ultérieure des données, le professeur Kippenberg a souligné que le bruit d'émission spontanée n'était pas filtré lors de l'utilisation d'un amplificateur optique pour améliorer la puissance du laser dans l'expérience.

Bien que ce petit problème n’affectera pas l’exactitude et le caractère scientifique de l’ensemble de l’expérience, il affectera l’interprétation des résultats expérimentaux.

En juillet 2022, Yang Yujia et d'autres sont revenus en Allemagne, ont répété les travaux expérimentaux précédents, ont correctement filtré le bruit de rayonnement spontané et ont finalement terminé tous les travaux de collecte de données.

"Afin de mener à bien des expériences collaboratives transfrontalières, mon collègue Arslan et moi avons transporté à plusieurs reprises deux grandes valises remplies d'équipement expérimental et avons pris des trains de 7 à 10 heures (souvent en retard) entre Göttingen, en Allemagne, et Lausanne, en Suisse", a déclaré Yang Yujia. .

Par la suite, Yang Yujia a complété le traitement et l'analyse des données de cette étude et a utilisé des méthodes de simulation théorique pour reproduire les résultats expérimentaux et expliquer le mécanisme sous-jacent.

Enfin, l'article connexe a été publié dans Science [3] sous le titre "Interaction des électrons libres avec des états optiques non linéaires dans les microrésonateurs".

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke et F. Jasmin Kappert sont les co-auteurs.

Yang Yujia, le professeur Tobias J. Kippenberg de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne en Suisse et le professeur Claus Ropers de l'Institut Max Planck en Allemagne sont les auteurs co-correspondants.

Figure | Articles connexes (Source : Science)

Au cours de la même période, Science a également publié un article du professeur Albert Polman de l'Institut néerlandais de physique atomique et moléculaire et de F. Javier Garcia de Abajo de l'Institut espagnol de science photonique. L'article d'opinion [4] co-écrit par le professeur. l'a salué comme une innovation révolutionnaire combinant électrons libres et optique non linéaire.

Dans la prochaine étape, Yang Yujia et d'autres effectueront une détection d'électrons libres sur d'autres dispositifs optiques intégrés non linéaires et dynamiques, tels que la détection de lasers sur puce, d'amplificateurs optiques, de solitons sombres et de spectres de supercontinuum.

Dans le même temps, il espère également qu'après avoir terminé ses recherches postdoctorales, il pourra retourner en Chine pour créer un laboratoire de recherche croisée capable d'atteindre le premier niveau mondial et d'explorer les microscopes électroniques et les puces photoniques.

Les références:

1. Henke, J.-W. et al. La photonique intégrée permet une modulation de phase électronique à faisceau continu. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. et al. Paires électron-photon médiées par la cavité. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et al. Interaction des électrons libres avec les états optiques non linéaires dans les microrésonateurs. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Les électrons captent les impulsions lumineuses à la volée. Science 383, 148–149 (2024).

Composition : Liu Yakun

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