Νέα

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

"Αυτή η μελέτη καταδεικνύει την αλληλεπίδραση μεταξύ ελεύθερων ηλεκτρονίων και μη γραμμικής οπτικής, δημιουργεί οπτικά σολίτονα στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και επιτρέπει την υπερταχεία πύλη δέσμης ηλεκτρονίων, επεκτείνοντας την εφαρμογή χτενών οπτικής συχνότητας μικροκοιλότητας στον έλεγχο των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Ένα εντελώς νέο πεδίο."

Σχετικά με τη διατριβή του στην Επιστήμη, ο Yang Yujia, απόφοιτος του Πανεπιστημίου Zhejiang, απόφοιτος διδακτορικού από το Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης στις Ηνωμένες Πολιτείες και μεταδιδακτορικός υπότροφος στην Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία, είπε.

Εικόνα |. Yang Yujia (Πηγή: Yang Yujia)

Στη μελέτη, τοποθέτησαν μια ενσωματωμένη οπτική μικροκοιλότητα υψηλής ποιότητας νιτριδίου του πυριτίου σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης.

Χρησιμοποιώντας τη μη γραμμική απόκριση τρίτης τάξης των οπτικών μικροκοιλοτήτων, δημιουργείται μια σειρά από μη γραμμικές οπτικές καταστάσεις, συμπεριλαμβανομένων των διασκορπιστικών σολιτονίων Kerr, μοτίβων Turing, αστάθειας χαοτικής διαμόρφωσης κ.λπ.

Για αυτές τις οπτικές καταστάσεις, αντιστοιχούν σε διαφορετικούς τρόπους χωροχρονικής διαμόρφωσης του πεδίου φωτός στη μικροκοιλότητα και μπορούν να σχηματίσουν συνεκτικές ή ασυνάρτητες χτένες οπτικής συχνότητας μικροκοιλότητας στη συχνότητα.

Μελετώντας την αλληλεπίδραση μεταξύ των ελεύθερων ηλεκτρονίων και αυτών των μη γραμμικών οπτικών καταστάσεων, ο Yang Yujia και άλλοι εντόπισαν τα χαρακτηριστικά «δακτυλικά αποτυπώματα» που άφησαν αυτές οι οπτικές καταστάσεις στο φάσμα της ενέργειας των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Συγκεκριμένα, τα διασκορπιστικά σολίτονα Kerr μπορούν να σχηματίσουν οπτικά σολίτονα σε μικροκοιλότητες με χρόνους παλμών κάτω από 100fs και συχνότητες επανάληψης πάνω από 100 GHz.

Ταυτόχρονα, σε αυτή την εργασία, αυτός και η ομάδα του μελέτησαν επίσης τον εξαιρετικά γρήγορο έλεγχο των ελεύθερων δεσμών ηλεκτρονίων από αυτό το οπτικό σολίτονα.

(Πηγή: Science)

Αναμένεται ότι τα αποτελέσματα αυτού του έργου θα εφαρμοστούν σε τρεις πτυχές:

Πρώτον, για τη μη γραμμική οπτική δυναμική, ειδικά τη μη γραμμική ολοκληρωμένη οπτική, μπορεί να αναπτυχθεί τεχνολογία ανίχνευσης και χαρακτηρισμού που βασίζεται σε ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Αυτό όχι μόνο μπορεί να συμπληρώσει αποτελεσματικά τις παραδοσιακές μεθόδους μέτρησης της φωτονικής, αλλά και να επιδείξει μοναδικά πλεονεκτήματα όπως εξαιρετικά υψηλή χωρική ανάλυση, άμεση αλληλεπίδραση με πεδία φωτός στο τσιπ ή ενδομικροκοιλότητα και μη επεμβατική μέτρηση.

Δεύτερον, αναπτύξτε την τεχνολογία υπερταχείας ηλεκτρονικής μικροσκοπίας που βασίζεται στη συμβατική τεχνολογία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.

Σε αυτή την εργασία, ο Yang Yujia και η ερευνητική του ομάδα πέτυχαν υπερταχεία αλληλεπίδραση φωτός-ηλεκτρονίου χρησιμοποιώντας παλμούς οπτικού σολιτονίου femtosecond σε ενσωματωμένες οπτικές μικροκοιλότητες.

Με βάση αυτό, αναμένεται να αναπτυχθεί τεχνολογία υπερταχείας ηλεκτρονικής μικροσκοπίας με βάση τη συμβατική ηλεκτρονική μικροσκοπία.

Αναμένεται ότι αυτή η τεχνολογία θα μπορεί να χρησιμοποιεί συνεχείς δέσμες ηλεκτρονίων, συνεχή λέιζερ και ενσωματωμένα οπτικά τσιπ, εξαλείφοντας την ανάγκη για πιο ακριβά λέιζερ με λειτουργία κλειδώματος femtosecond.

Επιπλέον, η τεχνολογία υπερταχείας ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για απεικόνιση εξαιρετικά υψηλής χωρικής και χρονικής ανάλυσης της δομής του υλικού, της εξαιρετικά γρήγορης δυναμικής και της αλληλεπίδρασης φωτός-ύλης.

Τρίτον, χρησιμοποιείται σε επιταχυντές ηλεκτρονίων με διηλεκτρικό λέιζερ on-chip.

Οι ενσωματωμένες οπτικές μικροκοιλότητες έχουν υψηλή ελεύθερη φασματική περιοχή που μπορεί να φτάσει τα GHz-THz.

Χρησιμοποιώντας μια δομή μικροκοιλότητας με ακρίβεια σχεδιασμένη και τον έλεγχο των ελεύθερων ηλεκτρονίων από σολίτονα φωτός στην κοιλότητα, μπορεί να κατασκευαστεί ένας μικρού μεγέθους, υψηλής συχνότητας επιταχυντής μικροηλεκτρονίων.

Ως εκ τούτου, αναμένεται να χρησιμοποιηθεί σε ιατρικά όργανα, βιομηχανικό εξοπλισμό και επιστημονικές συσκευές που δεν απαιτούν εξαιρετικά υψηλή ενέργεια ηλεκτρονίων αλλά απαιτούν συμπαγείς δομές.

(Πηγή: Science)

Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο που απέδωσε δύο βραβεία Νόμπελ

Σύμφωνα με αναφορές, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έχουν εκτεταμένες και εκτεταμένες εφαρμογές στη σύγχρονη επιστήμη και τεχνολογία.

Αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν ηλεκτρονικά μικροσκόπια, επιταχυντές σωματιδίων, λέιζερ ελεύθερων ηλεκτρονίων, παραγωγή και ενίσχυση μικροκυμάτων και σωλήνες κενού.

Ειδικά για τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, λόγω του εξαιρετικά μικρού μήκους κύματος de Broglie των ελεύθερων ηλεκτρονίων και της ισχυρής αλληλεπίδρασής τους με την ύλη, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια μπορούν να επιτύχουν τεχνολογίες απεικόνισης, περίθλασης και ενεργειακής φασματοσκοπίας εξαιρετικά υψηλής χωρικής ανάλυσης σε ατομικό επίπεδο.

Επί του παρόντος, τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πεδία όπως η επιστήμη των υλικών και η δομική βιολογία.

Οι σχετικοί μελετητές κέρδισαν επίσης το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1986 για τα αποτελέσματα της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης και το Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2017 για τα αποτελέσματα της κρυοηλεκτρονικής μικροσκοπίας τους.

Τα τελευταία χρόνια, η αλληλεπίδραση ελεύθερων ηλεκτρονίων και φωτονίων έχει πραγματοποιηθεί μέσω της εισαγωγής νανο-οπτικών δομών σε ηλεκτρονικά μικροσκόπια.

Με βάση αυτό, έχουν επιτευχθεί μια σειρά από νέα επιτεύγματα, συμπεριλαμβανομένης της εξαιρετικά γρήγορης ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, της κβαντικής συνεκτικής ρύθμισης ελεύθερων ηλεκτρονίων, των παλμών ηλεκτρονίων attosecond, των επιταχυντών ηλεκτρονίων στο τσιπ και των νέων πηγών φωτός ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Ωστόσο, η αλληλεπίδραση των μη γραμμικών οπτικών ιδιοτήτων των οπτικών υλικών και των οπτικών δομών στις αλληλεπιδράσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων-φωτονίων έχει σπάνια διερευνηθεί.

Λοιπόν, πώς μπήκε ο Yang Yujia σε αυτό το ερευνητικό πεδίο; Αυτό πρέπει να ξεκινήσει από τις μέρες του διαβάσματός του.

Αποφοίτησε από το Πανεπιστήμιο Zhejiang με πτυχίο, και έλαβε μεταπτυχιακό και διδακτορικό από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στις Ηνωμένες Πολιτείες. Κατά τη διάρκεια των διδακτορικών του σπουδών, σπούδασε κυρίως νανοοπτική, υπερταχεία οπτική, φυσική ελεύθερων ηλεκτρονίων και κβαντική φυσική.

Κατά τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ ελεύθερων ηλεκτρονίων και νανο-οπτικών δομών, συνειδητοποίησε ότι σε σύγκριση με τις νανο-οπτικές κεραίες με χαμηλότερους παράγοντες ποιότητας, οι ενσωματωμένες οπτικές μικροκοιλότητες με παράγοντες υψηλής ποιότητας αναμένεται να ενισχύσουν σημαντικά την αλληλεπίδραση μεταξύ ελεύθερων ηλεκτρονίων και φωτονίων.

Ως εκ τούτου, κατά την εξέταση θεμάτων μεταδιδακτορικής έρευνας, ο Yang Yujia επικοινώνησε με τον καθηγητή Tobias J. Kippenberg της Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Ελβετία, έναν πολύ γνωστό μελετητή στον τομέα των ολοκληρωμένων οπτικών μικροκοιλοτήτων.

Μετά από αυτό, ο Yang Yujia έλαβε επίσης χρηματοδότηση έργου από την Ευρωπαϊκή Ένωση "Marie Curie Scholars".

(Πηγή: Science)

Πάρτε ένα τρένο μεταξύ Γερμανίας και Ελβετίας με μια βαλίτσα γεμάτη όργανα

Εκείνη την εποχή, ο καθηγητής Kippenberg έτυχε να εργάζεται σε ένα έργο συνεργασίας με τον καθηγητή Claus Ropers του Ινστιτούτου Max Planck στη Γερμανία.

Έτσι, ο καθηγητής Kippenberg κάλεσε τον Yang Yujia να συμμετάσχει στην ερευνητική του ομάδα για μεταδιδακτορική έρευνα.

Το 2021, η ερευνητική ομάδα Kippenberg του Yang Yujia και η ερευνητική ομάδα Ropers ανέπτυξαν από κοινού μια νέα πειραματική πλατφόρμα.

Μέσω αυτού, συνδύασαν ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης με ένα ενσωματωμένο οπτικό τσιπ και χρησιμοποίησαν μια υψηλής ποιότητας οπτική μικροκοιλότητα για να επιδείξουν ισχυρό έλεγχο φάσης των κυμάτων φωτός χαμηλής ισχύος στη συνάρτηση κύματος ελεύθερου ηλεκτρονίου [1] Φύση.

Το 2022, χρησιμοποίησαν παρόμοια πειραματική πλατφόρμα, καθώς και ανίχνευση μονού ηλεκτρονίου και φωτονίου, για να επιδείξουν ζεύγη ηλεκτρονίων-φωτονίων που δημιουργούνται από ελεύθερα ηλεκτρόνια σε μια ολοκληρωμένη οπτική μικροκοιλότητα [2] και σχετικές εργασίες δημοσιεύτηκαν στο Science.

Ωστόσο, στις παραπάνω μελέτες, χρησιμοποίησαν μόνο τη γραμμική οπτική απόκριση του ενσωματωμένου οπτικού τσιπ και της οπτικής μικροκοιλότητας, αλλά δεν χρησιμοποίησαν τις μη γραμμικές οπτικές ιδιότητες της οπτικής μικροκοιλότητας.

Για την ομάδα του Yang Yujia, το μεγαλύτερο μέρος της έρευνάς τους αφορά τη μη γραμμική ολοκληρωμένη οπτική.

Επομένως, στη μελέτη των αλληλεπιδράσεων ελεύθερων ηλεκτρονίων-φωτονίων, θέλουν επίσης να διερευνήσουν τον έλεγχο της δέσμης ελεύθερων ηλεκτρονίων από τη μη γραμμική οπτική απόκριση του ενσωματωμένου οπτικού τσιπ για να καλύψουν το κενό στο πεδίο.

Σε αυτή την έρευνα, ο Yang Yujia ήρθε για πρώτη φορά στην ερευνητική ομάδα Γερμανών συνεργατών για να πραγματοποιήσει πειράματα.

Ωστόσο, διαπίστωσε ότι ο παράγοντας ποιότητας της οπτικής μικροκοιλότητας θα μειωνόταν στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, με αποτέλεσμα μόνο μια κατάσταση πολλαπλού σολιτονίου αντί για μια κατάσταση ενός σολιτονίου, δηλαδή, υπάρχει μόνο ένας οπτικός παλμός σολιτονίου στη μικροκοιλότητα.

Αφού επέστρεψαν στην Ελβετία, ο Yang Yujia και άλλοι ετοίμασαν μια παρτίδα ενσωματωμένων τσιπ οπτικής μικροκοιλότητας με υψηλότερο παράγοντα ποιότητας και αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν διαμόρφωση μονής πλευρικής ζώνης για να επιτύχουν ταχεία σάρωση της συχνότητας λέιζερ έτσι ώστε οι καταστάσεις μεμονωμένου σολιτονίου να μπορούν να ληφθούν πιο εύκολα.

Τον Απρίλιο του 2022, ο Yang Yujia και ο συνάδελφός του Arslan S. Raja ήρθαν ξανά στην ερευνητική ομάδα του καθηγητή Ropers στη Γερμανία από την Ελβετία και δημιούργησαν μια ενιαία κατάσταση σολιτονίου σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για πρώτη φορά.

Η επιτυχία αυτού του πειράματος έκανε τους πάντες πολύ ενθουσιασμένους. Ωστόσο, σε επακόλουθη ανάλυση δεδομένων, ο καθηγητής Kippenberg επεσήμανε ότι ο θόρυβος της αυθόρμητης εκπομπής δεν φιλτραρίστηκε όταν χρησιμοποιήθηκε ένας οπτικός ενισχυτής για την ενίσχυση της ισχύος λέιζερ στο πείραμα.

Αν και αυτό το μικρό πρόβλημα δεν θα επηρεάσει την ορθότητα και την επιστημονικότητα ολόκληρου του πειράματος, θα επηρεάσει την ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων.

Τον Ιούλιο του 2022, ο Yang Yujia και άλλοι ήρθαν ξανά στη Γερμανία, επανέλαβαν την προηγούμενη πειραματική εργασία, φιλτράροντας σωστά τον αυθόρμητο θόρυβο ακτινοβολίας και τελικά ολοκλήρωσαν όλες τις εργασίες συλλογής δεδομένων.

«Για να ολοκληρώσουμε διασυνοριακά συνεργατικά πειράματα, ο συνάδελφός μου Arslan και εγώ κουβαλούσαμε δύο μεγάλες βαλίτσες γεμάτες με πειραματικό εξοπλισμό πολλές φορές και πήγαμε 7-10 ώρες (συχνά με καθυστέρηση) τρένα μεταξύ Γκέτινγκεν της Γερμανίας και Λωζάνης της Ελβετίας», είπε ο Yang Yujia. .

Στη συνέχεια, ο Yang Yujia ολοκλήρωσε την επεξεργασία δεδομένων και την ανάλυση δεδομένων αυτής της μελέτης και χρησιμοποίησε θεωρητικές μεθόδους προσομοίωσης για να αναπαράγει τα πειραματικά αποτελέσματα και να εξηγήσει τον υποκείμενο μηχανισμό.

Τέλος, η σχετική εργασία δημοσιεύτηκε στο Science [3] με τίτλο «Αλληλεπίδραση ελεύθερων ηλεκτρονίων με μη γραμμικές οπτικές καταστάσεις σε μικροσυντονιστές».

Οι Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke και F. Jasmin Kappert είναι οι συν-συγγραφείς.

Ο Yang Yujia, ο καθηγητής Tobias J. Kippenberg της Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne στην Ελβετία και ο καθηγητής Claus Ropers του Ινστιτούτου Max Planck στη Γερμανία υπηρετούν ως συν-ανταποκριτές.

Εικόνα | Σχετικές εργασίες (Πηγή: Science)

Την ίδια περίοδο, το Science δημοσίευσε επίσης μια εργασία του καθηγητή Albert Polman από το Ολλανδικό Ινστιτούτο Ατομικής και Μοριακής Φυσικής και του F. Javier Garcia de Abajo από το Ισπανικό Ινστιτούτο Επιστήμης Φωτονίων [4] που συντάχθηκε από τον καθηγητή το επαίνεσε ως μια ανατρεπτική καινοτομία που συνδυάζει ελεύθερα ηλεκτρόνια και μη γραμμική οπτική.

Στο επόμενο βήμα, ο Yang Yujia και άλλοι θα διεξάγουν ανίχνευση ελεύθερων ηλεκτρονίων σε άλλες μη γραμμικές ενσωματωμένες οπτικές συσκευές και δυναμικές, όπως ανίχνευση λέιζερ στο τσιπ, οπτικούς ενισχυτές, σκοτεινά σολίτονα και φάσματα υπερσυνεχούς.

Ταυτόχρονα, ελπίζει επίσης ότι μετά την ολοκλήρωση της μεταδιδακτορικής του έρευνας, μπορεί να επιστρέψει στην Κίνα για να δημιουργήσει ένα εργαστήριο διασταυρούμενης έρευνας που μπορεί να φτάσει στο κορυφαίο επίπεδο στον κόσμο και να εξερευνήσει ηλεκτρονικά μικροσκόπια και φωτονικά τσιπ.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

1. Henke, J.-W. et al. Η ενσωματωμένη φωτονική επιτρέπει τη διαμόρφωση φάσης ηλεκτρονίων συνεχούς δέσμης. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, Α. et al. Ζεύγη ηλεκτρονίων-φωτονίων που προκαλούνται από κοιλότητα. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Υ. et αϊ. Αλληλεπίδραση ελεύθερων ηλεκτρονίων με μη γραμμικές οπτικές καταστάσεις σε μικροσυντονιστές. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Electrons πιάνουν παλμούς φωτός εν κινήσει. Science 383, 148–149 (2024).

Στοιχειοθέτηση: Liu Yakun

02/

03/

04/

05/