berita

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

“Studi ini menunjukkan interaksi antara elektron bebas dan optik nonlinier, menghasilkan soliton optik dalam mikroskop elektron, dan memungkinkan gerbang berkas elektron yang sangat cepat, memperluas penerapan sisir frekuensi optik rongga mikro untuk mengendalikan elektron bebas. Bidang yang benar-benar baru.”

Mengenai tesis Sainsnya, Yang Yujia, alumnus sarjana Universitas Zhejiang, lulusan doktoral dari Institut Teknologi Massachusetts di Amerika Serikat, dan rekan pascadoktoral di Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne di Swiss, mengatakan.

Gambar |. Yang Yujia (Sumber: Yang Yujia)

Dalam penelitian tersebut, mereka menempatkan mikrokavitas optik silikon nitrida berkualitas tinggi yang terintegrasi ke dalam mikroskop elektron transmisi.

Memanfaatkan respons nonlinier orde ketiga dari rongga mikro optik, serangkaian keadaan optik nonlinier dihasilkan, termasuk soliton Kerr disipatif, pola Turing, ketidakstabilan modulasi kacau, dll.

Untuk keadaan optik ini, mereka sesuai dengan mode modulasi spatiotemporal yang berbeda dari medan cahaya di rongga mikro, dan dapat membentuk sisir frekuensi optik rongga mikro yang koheren atau tidak koheren dalam frekuensi.

Dengan mempelajari interaksi antara elektron bebas dan keadaan optik nonlinier ini, Yang Yujia dan yang lainnya mendeteksi karakteristik "sidik jari" yang ditinggalkan oleh keadaan optik ini dalam spektrum energi elektron bebas.

Secara khusus, soliton Kerr disipatif dapat membentuk soliton optik dalam rongga mikro dengan waktu pulsa di bawah 100fs dan frekuensi pengulangan di atas 100GHz.

Pada saat yang sama, dalam penelitian ini, ia dan timnya juga mempelajari kontrol ultracepat berkas elektron bebas oleh soliton optik ini.

(Sumber: Sains)

Hasil proyek ini diharapkan dapat diterapkan dalam tiga aspek:

Pertama, untuk dinamika optik nonlinier, khususnya optik terintegrasi nonlinier, dapat dikembangkan teknologi deteksi dan karakterisasi berbasis elektron bebas.

Hal ini tidak hanya dapat secara efektif melengkapi metode pengukuran fotonik tradisional, namun juga menunjukkan keunggulan unik seperti resolusi spasial ultra-tinggi, interaksi langsung dengan bidang cahaya on-chip atau intra-mikrokavitas, dan pengukuran non-invasif.

Kedua, mengembangkan teknologi mikroskop elektron ultracepat berdasarkan teknologi mikroskop elektron konvensional.

Dalam karya ini, kelompok penelitian Yang Yujiahe mencapai interaksi elektron cahaya ultracepat dengan menggunakan pulsa soliton optik femtosecond dalam rongga mikro optik terintegrasi.

Berdasarkan hal tersebut diharapkan dapat dikembangkan teknologi mikroskop elektron ultracepat berbasis mikroskop elektron konvensional.

Teknologi ini diharapkan dapat menggunakan berkas elektron kontinu, laser kontinu, dan chip optik terintegrasi, sehingga menghilangkan kebutuhan akan laser terkunci mode femtodetik yang lebih mahal.

Selain itu, teknologi mikroskop elektron ultracepat dapat digunakan untuk pencitraan struktur material dengan resolusi spasial dan temporal yang sangat tinggi, dinamika ultracepat, dan interaksi materi cahaya.

Ketiga, digunakan dalam akselerator elektron laser dielektrik on-chip.

Microcavities optik terintegrasi memiliki rentang spektral bebas yang tinggi yang dapat mencapai GHz-THz.

Dengan menggunakan struktur rongga mikro yang dirancang secara presisi dan kontrol elektron bebas oleh soliton cahaya di dalam rongga, akselerator mikroelektron frekuensi pengulangan tinggi berukuran kecil dapat diwujudkan.

Oleh karena itu, diharapkan dapat digunakan pada instrumen medis, peralatan industri, dan perangkat ilmiah yang tidak memerlukan energi elektron ultra-tinggi namun memerlukan struktur kompak.

(Sumber: Sains)

Mikroskop elektron yang melahirkan dua Hadiah Nobel

Menurut laporan, elektron bebas memiliki penerapan yang luas dan luas dalam sains dan teknologi modern.

Aplikasi ini meliputi mikroskop elektron, akselerator partikel, laser elektron bebas, pembangkitan dan amplifikasi gelombang mikro, dan tabung vakum.

Khusus untuk mikroskop elektron, karena panjang gelombang elektron bebas de Broglie yang sangat pendek dan interaksinya yang kuat dengan materi, mikroskop elektron dapat mencapai teknologi pencitraan resolusi spasial ultra-tinggi, difraksi, dan spektroskopi energi tingkat atom.

Saat ini, mikroskop elektron telah banyak digunakan di berbagai bidang seperti ilmu material dan biologi struktural.

Sarjana terkait juga memenangkan Hadiah Nobel Fisika tahun 1986 atas hasil mikroskop elektron transmisi, dan Hadiah Nobel Kimia tahun 2017 atas hasil mikroskop krio-elektron.

Dalam beberapa tahun terakhir, interaksi elektron bebas dan foton telah diwujudkan melalui pengenalan struktur nano-optik pada mikroskop elektron.

Berdasarkan hal ini, serangkaian pencapaian baru telah dicapai, termasuk mikroskop elektron ultracepat, regulasi elektron bebas koheren kuantum, pulsa elektron attodetik, akselerator elektron dalam chip, dan sumber cahaya elektron bebas baru.

Namun, interaksi sifat optik nonlinier bahan optik dan struktur optik dalam interaksi elektron-foton bebas masih jarang dieksplorasi.

Lantas, bagaimana Yang Yujia memasuki bidang penelitian ini? Ini harus dimulai dari hari-hari membaca.

Ia lulus dari Universitas Zhejiang dengan gelar sarjana, dan menerima gelar master dan doktoral dari Massachusetts Institute of Technology di Amerika Serikat. Selama studi PhD-nya, ia terutama mempelajari nano-optik, optik ultracepat, fisika elektron bebas, dan fisika kuantum.

Saat mempelajari interaksi antara elektron bebas dan struktur nano-optik, ia menyadari bahwa dibandingkan dengan antena nano-optik dengan faktor kualitas lebih rendah, rongga mikro optik terintegrasi dengan faktor kualitas tinggi diharapkan dapat meningkatkan interaksi antara elektron bebas dan foton.

Oleh karena itu, ketika mempertimbangkan topik penelitian pascadoktoral, Yang Yujia menghubungi Profesor Tobias J. Kippenberg dari Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Swiss, seorang sarjana terkenal di bidang rongga mikro optik terintegrasi.

Setelah itu, Yang Yujia juga menerima dana proyek dari “Marie Curie Scholars” Uni Eropa.

(Sumber: Sains)

Naik kereta api antara Jerman dan Swiss dengan koper penuh instrumen

Saat itu, Profesor Kippenberg kebetulan sedang mengerjakan proyek kolaborasi dengan Profesor Claus Ropers dari Institut Max Planck di Jerman.

Maka Profesor Kippenberg mengundang Yang Yujia untuk bergabung dengan kelompok penelitiannya untuk penelitian pascadoktoral.

Pada tahun 2021, kelompok riset Kippenberg Yang Yujia dan kelompok riset Ropers bersama-sama mengembangkan platform eksperimental baru.

Melalui ini, mereka menggabungkan mikroskop elektron transmisi dengan chip optik terintegrasi, dan menggunakan mikrokavitas optik dengan faktor kualitas tinggi untuk menunjukkan kontrol fase yang kuat dari fungsi gelombang elektron bebas oleh gelombang cahaya berdaya rendah [1]. di alam.

Pada tahun 2022, mereka menggunakan platform eksperimental serupa, serta deteksi elektron tunggal dan foton tunggal, untuk mendemonstrasikan pasangan elektron-foton yang dihasilkan oleh elektron bebas dalam mikrokavitas optik terintegrasi [2], dan makalah terkait diterbitkan di Science.

Namun pada penelitian di atas, mereka hanya menggunakan respon optik linier dari chip optik terintegrasi dan rongga mikro optik, tetapi tidak menggunakan sifat optik nonlinier dari rongga mikro optik.

Bagi tim Yang Yujia, sebagian besar penelitian mereka adalah seputar optik terintegrasi nonlinier.

Oleh karena itu, dalam studi interaksi elektron-foton bebas, mereka juga ingin mengeksplorasi regulasi berkas elektron bebas melalui respons optik nonlinier dari chip optik terintegrasi untuk mengisi kesenjangan di lapangan.

Dalam penelitian ini, Yang Yujia pertama kali datang ke kelompok penelitian kolaborator Jerman untuk melakukan eksperimen.

Namun, ia menemukan bahwa faktor kualitas rongga mikro optik akan berkurang dalam mikroskop elektron, sehingga hanya menghasilkan keadaan multi-soliton, bukan keadaan soliton tunggal, yaitu hanya ada satu pulsa soliton optik dalam rongga mikro.

Setelah kembali ke Swiss, Yang Yujia dan yang lainnya menyiapkan sejumlah chip mikrokavitas optik terintegrasi dengan faktor kualitas lebih tinggi, dan memutuskan untuk menggunakan modulasi sideband tunggal untuk mencapai pemindaian frekuensi laser yang cepat sehingga status soliton tunggal dapat diperoleh dengan lebih mudah.

Pada bulan April 2022, Yang Yujia dan rekannya Arslan S. Raja datang lagi ke kelompok penelitian Profesor Ropers di Jerman dari Swiss, dan menghasilkan keadaan soliton tunggal dalam mikroskop elektron untuk pertama kalinya.

Keberhasilan eksperimen ini membuat semua orang sangat bersemangat. Namun, dalam analisis data selanjutnya, Profesor Kippenberg menunjukkan bahwa emisi kebisingan spontan tidak disaring saat menggunakan penguat optik untuk meningkatkan kekuatan laser dalam percobaan.

Meskipun masalah kecil ini tidak akan mempengaruhi kebenaran dan keilmuan keseluruhan percobaan, namun akan mempengaruhi interpretasi hasil percobaan.

Pada Juli 2022, Yang Yujia dan yang lainnya datang ke Jerman lagi, mengulangi pekerjaan eksperimental sebelumnya, menyaring kebisingan radiasi spontan dengan baik, dan akhirnya menyelesaikan semua pekerjaan pengumpulan data.

“Untuk menyelesaikan eksperimen kolaboratif lintas batas, saya dan rekan saya Arslan berkali-kali membawa dua koper besar berisi peralatan eksperimen dan menempuh perjalanan 7-10 jam (sering tertunda) kereta api antara Göttingen, Jerman dan Lausanne, Swiss,” kata Yang Yujia .

Selanjutnya, Yang Yujia menyelesaikan pemrosesan data dan analisis data penelitian ini, dan menggunakan metode simulasi teoretis untuk mereproduksi hasil eksperimen dan menjelaskan mekanisme yang mendasarinya.

Terakhir, makalah terkait diterbitkan di Science [3] dengan judul “Interaksi elektron bebas dengan keadaan optik nonlinier dalam mikroresonator”.

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke, dan F. Jasmin Kappert adalah rekan penulisnya.

Yang Yujia, Profesor Tobias J. Kippenberg dari Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Swiss, dan Profesor Claus Ropers dari Max Planck Institute di Jerman berperan sebagai penulis koresponden.

Gambar |. Makalah terkait (Sumber: Sains)

Pada periode yang sama, Science juga menerbitkan makalah oleh Profesor Albert Polman dari Institut Fisika Atom dan Molekuler Belanda dan F. Javier Garcia de Abajo dari Institut Sains Foton Spanyol. Artikel opini [4] ditulis bersama oleh profesor memujinya sebagai inovasi disruptif yang menggabungkan elektron bebas dan optik nonlinier.

Pada langkah selanjutnya, Yang Yujia dan yang lainnya akan melakukan deteksi elektron bebas pada perangkat dan dinamika optik terintegrasi nonlinier lainnya, seperti mendeteksi laser on-chip, amplifier optik, soliton gelap, dan spektrum superkontinuum.

Pada saat yang sama, ia juga berharap setelah menyelesaikan penelitian pascadoktoralnya, ia dapat kembali ke Tiongkok untuk mendirikan laboratorium lintas penelitian yang dapat mencapai tingkat terdepan di dunia dan mengeksplorasi mikroskop elektron dan chip fotonik.

Referensi:

1. Henke, J.-W. dkk. Fotonik terintegrasi memungkinkan modulasi fase elektron berkas kontinu. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. dkk. Pasangan elektron-foton yang dimediasi rongga. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. dkk. Interaksi elektron bebas dengan keadaan optik nonlinier dalam mikroresonator. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Elektron menangkap pulsa cahaya dengan cepat. Science 383, 148–149 (2024).

Penyusunan huruf: Liu Yakun

02/

03/

04/

05/