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"Questo studio dimostra l'interazione tra elettroni liberi e ottica non lineare, genera solitoni ottici nel microscopio elettronico e consente il gating ultraveloce dei fasci di elettroni, estendendo l'applicazione dei pettini di frequenza ottica a microcavità al controllo degli elettroni liberi. Un campo completamente nuovo."

Per quanto riguarda la sua tesi di scienze, Yang Yujia, studente universitario dell'Università di Zhejiang, dottorando presso il Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti e ricercatore post-dottorato presso l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne in Svizzera, ha detto.

Immagine |. Yang Yujia (Fonte: Yang Yujia)

Nello studio, hanno inserito una microcavità ottica di nitruro di silicio di alta qualità integrata su chip in un microscopio elettronico a trasmissione.

Utilizzando la risposta non lineare del terzo ordine delle microcavità ottiche, vengono generati una serie di stati ottici non lineari, inclusi solitoni dissipativi di Kerr, modelli di Turing, instabilità di modulazione caotica, ecc.

A questi stati ottici corrispondono diverse modalità di modulazione spaziotemporale del campo luminoso nella microcavità e possono formare pettini di frequenza ottici di microcavità coerenti o incoerenti in frequenza.

Studiando l'interazione tra gli elettroni liberi e questi stati ottici non lineari, Yang Yujia e altri hanno rilevato le caratteristiche "impronte digitali" lasciate da questi stati ottici nello spettro energetico degli elettroni liberi.

In particolare, i solitoni dissipativi di Kerr possono formare solitoni ottici in microcavità con tempi di impulso inferiori a 100 fs e frequenze di ripetizione superiori a 100 GHz.

Allo stesso tempo, in questo lavoro, lui e il suo team hanno studiato anche il controllo ultraveloce dei fasci di elettroni liberi da parte di questo solitone ottico.

(Fonte: Scienza)

Si prevede che i risultati di questo progetto verranno applicati in tre aspetti:

In primo luogo, per la dinamica ottica non lineare, in particolare l'ottica integrata non lineare, è possibile sviluppare una tecnologia di rilevamento e caratterizzazione basata su elettroni liberi.

Ciò non solo può integrare efficacemente i tradizionali metodi di misurazione fotonica, ma dimostra anche vantaggi unici come la risoluzione spaziale ultraelevata, l’interazione diretta con campi luminosi su chip o intra-microcavità e la misurazione non invasiva.

In secondo luogo, sviluppare una tecnologia di microscopia elettronica ultraveloce basata sulla tecnologia di microscopia elettronica convenzionale.

In questo lavoro, Yang Yujia e il suo gruppo di ricerca hanno ottenuto un'interazione ultraveloce luce-elettrone utilizzando impulsi solitonici ottici a femtosecondi in microcavità ottiche integrate.

Su questa base si prevede di sviluppare una tecnologia di microscopia elettronica ultraveloce basata sulla microscopia elettronica convenzionale.

Si prevede che questa tecnologia sarà in grado di utilizzare fasci di elettroni continui, laser continui e chip ottici integrati, eliminando la necessità di laser a femtosecondi più costosi.

Inoltre, la tecnologia della microscopia elettronica ultraveloce può essere utilizzata per l’imaging ad altissima risoluzione spaziale e temporale della struttura del materiale, della dinamica ultraveloce e dell’interazione luce-materia.

In terzo luogo, viene utilizzato negli acceleratori di elettroni laser dielettrici su chip.

Le microcavità ottiche integrate hanno un ampio intervallo spettrale libero che può raggiungere i GHz-THz.

Utilizzando una struttura di microcavità progettata con precisione e il controllo degli elettroni liberi da parte di solitoni leggeri nella cavità, è possibile realizzare un acceleratore di microelettroni di piccole dimensioni e ad alta frequenza di ripetizione.

Pertanto, se ne prevede l'utilizzo in strumenti medici, apparecchiature industriali e dispositivi scientifici che non richiedono un'energia elettronica ultraelevata ma richiedono strutture compatte.

(Fonte: Scienza)

Il microscopio elettronico che ha dato i natali a due premi Nobel

Secondo i rapporti, gli elettroni liberi hanno applicazioni estese e di vasta portata nella scienza e nella tecnologia moderne.

Queste applicazioni includono microscopi elettronici, acceleratori di particelle, laser a elettroni liberi, generazione e amplificazione di microonde e tubi a vuoto.

Soprattutto per i microscopi elettronici, a causa della lunghezza d'onda di De Broglie ultracorta degli elettroni liberi e della loro forte interazione con la materia, i microscopi elettronici possono ottenere tecnologie di imaging, diffrazione e spettroscopia energetica ad altissima risoluzione spaziale a livello atomico.

Attualmente, i microscopi elettronici sono stati ampiamente utilizzati in campi quali la scienza dei materiali e la biologia strutturale.

Importanti studiosi hanno anche vinto il Premio Nobel per la fisica nel 1986 per i risultati della microscopia elettronica a trasmissione e il Premio Nobel per la chimica nel 2017 per i risultati della microscopia crioelettronica.

Negli ultimi anni, l'interazione tra elettroni liberi e fotoni è stata realizzata attraverso l'introduzione di strutture nano-ottiche nei microscopi elettronici.

Sulla base di ciò, sono stati raggiunti una serie di nuovi risultati, tra cui la microscopia elettronica ultraveloce, la regolazione quantistica coerente degli elettroni liberi, gli impulsi elettronici ad attosecondi, gli acceleratori di elettroni su chip e nuove fonti di luce a elettroni liberi.

Tuttavia, l’interazione delle proprietà ottiche non lineari dei materiali ottici e delle strutture ottiche nelle interazioni elettrone-fotone libere è stata esplorata raramente.

Allora, come è entrato Yang Yujia in questo campo di ricerca? Questo deve iniziare dai suoi giorni di lettura.

Si è laureato alla Zhejiang University con una laurea e ha conseguito un master e un dottorato presso il Massachusetts Institute of Technology negli Stati Uniti. Durante i suoi studi di dottorato, ha studiato principalmente nanoottica, ottica ultraveloce, fisica degli elettroni liberi e fisica quantistica.

Studiando l'interazione tra elettroni liberi e strutture nano-ottiche, si è reso conto che, rispetto alle antenne nano-ottiche con fattori di qualità inferiori, ci si aspettava che le microcavità ottiche integrate con fattori di alta qualità migliorassero notevolmente l'interazione tra elettroni liberi e fotoni.

Pertanto, nel considerare argomenti di ricerca post-dottorato, Yang Yujia ha contattato il professor Tobias J. Kippenberg dell'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Svizzera, noto studioso nel campo delle microcavità ottiche integrate.

Successivamente, Yang Yujia ha ricevuto anche finanziamenti per progetti da parte dei “Marie Curie Scholars” dell’Unione Europea.

(Fonte: Scienza)

Prendi un treno tra Germania e Svizzera con una valigia piena di strumenti

A quel tempo, il professor Kippenberg stava lavorando ad un progetto di collaborazione con il professor Claus Ropers dell'Istituto Max Planck in Germania.

Quindi il professor Kippenberg ha invitato Yang Yujia a unirsi al suo gruppo di ricerca per la ricerca post-dottorato.

Nel 2021, il gruppo di ricerca Kippenberg di Yang Yujia e il gruppo di ricerca Ropers hanno sviluppato congiuntamente una nuova piattaforma sperimentale.

In questo modo, hanno combinato un microscopio elettronico a trasmissione con un chip ottico integrato e hanno utilizzato una microcavità ottica con fattore di alta qualità per dimostrare un forte controllo di fase delle onde luminose a bassa potenza sulla funzione d'onda degli elettroni liberi Natura.

Nel 2022, hanno utilizzato una piattaforma sperimentale simile, nonché il rilevamento di singoli elettroni e singoli fotoni, per dimostrare le coppie elettrone-fotone generate da elettroni liberi in una microcavità ottica integrata [2], e gli articoli correlati sono stati pubblicati su Science.

Tuttavia, negli studi di cui sopra, hanno utilizzato solo la risposta ottica lineare del chip ottico integrato e della microcavità ottica, ma non hanno utilizzato le proprietà ottiche non lineari della microcavità ottica.

Per il team di Yang Yujia, la maggior parte della ricerca riguarda l'ottica integrata non lineare.

Pertanto, nello studio delle interazioni elettrone-fotone liberi, si vuole esplorare anche il controllo del fascio di elettroni liberi mediante la risposta ottica non lineare del chip ottico integrato per colmare il vuoto nel campo.

In questa ricerca, Yang Yujia si è rivolto per la prima volta al gruppo di ricerca di collaboratori tedeschi per condurre esperimenti.

Tuttavia, ha scoperto che il fattore di qualità della microcavità ottica sarebbe ridotto nel microscopio elettronico, risultando in solo uno stato multi-solitone invece di un singolo stato solitonico, cioè c'è solo un impulso solitonico ottico nella microcavità.

Dopo essere tornati in Svizzera, Yang Yujia e altri hanno preparato un lotto di chip di microcavità ottica integrati con un fattore di qualità più elevato e hanno deciso di utilizzare la modulazione a banda laterale singola per ottenere una scansione rapida della frequenza laser in modo che i singoli stati solitonici potessero essere ottenuti più facilmente.

Nell'aprile 2022, Yang Yujia e il suo collega Arslan S. Raja sono tornati dalla Svizzera al gruppo di ricerca del professor Ropers in Germania e hanno generato per la prima volta un singolo stato solitonico in un microscopio elettronico.

Il successo di questo esperimento ha reso tutti molto emozionati. Tuttavia, nella successiva analisi dei dati, il professor Kippenberg ha sottolineato che il rumore dell'emissione spontanea non veniva filtrato quando si utilizzava un amplificatore ottico per aumentare la potenza del laser nell'esperimento.

Sebbene questo piccolo problema non influisca sulla correttezza e scientificità dell'intero esperimento, influenzerà l'interpretazione dei risultati sperimentali.

Nel luglio 2022, Yang Yujia e altri sono tornati di nuovo in Germania, hanno ripetuto il precedente lavoro sperimentale, hanno filtrato adeguatamente il rumore spontaneo delle radiazioni e infine hanno completato tutto il lavoro di raccolta dei dati.

"Per completare gli esperimenti di collaborazione transfrontalieri, il mio collega Arslan e io abbiamo trasportato più volte due grandi valigie piene di apparecchiature sperimentali e abbiamo preso treni di 7-10 ore (spesso in ritardo) tra Gottinga, Germania e Losanna, Svizzera", ha affermato Yang Yujia .

Successivamente, Yang Yujia ha completato l'elaborazione e l'analisi dei dati di questo studio e ha utilizzato metodi di simulazione teorica per riprodurre i risultati sperimentali e spiegare il meccanismo sottostante.

Infine, l'articolo correlato è stato pubblicato su Science [3] con il titolo "Free-electroninteraction with nonlinear Optical States in microresonators".

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke e F. Jasmin Kappert sono i coautori.

Yang Yujia, il professor Tobias J. Kippenberg dell'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Svizzera, e il professor Claus Ropers del Max Planck Institute in Germania sono autori co-corrispondenti.

Figura |. Articoli correlati (Fonte: Science)

Nello stesso periodo, Science ha pubblicato anche un articolo del professor Albert Polman dell'Istituto olandese di fisica atomica e molecolare e di F. Javier Garcia de Abajo dell'Istituto spagnolo di scienza fotonica L'articolo di opinione [4] co-scritto dal professore lo ha elogiato come un'innovazione dirompente che combina elettroni liberi e ottica non lineare.

Nella fase successiva, Yang Yujia e altri condurranno il rilevamento di elettroni liberi su altri dispositivi ottici e dinamici integrati non lineari, come il rilevamento di laser su chip, amplificatori ottici, solitoni oscuri e spettri di supercontinuum.

Allo stesso tempo, spera anche che, dopo aver completato la sua ricerca post-dottorato, possa tornare in Cina per creare un laboratorio di ricerca incrociata che possa raggiungere il livello leader a livello mondiale ed esplorare microscopi elettronici e chip fotonici.

Riferimenti:

1. Henke, J.-W. et al. La fotonica integrata consente la modulazione di fase degli elettroni a fascio continuo. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. et al. Coppie elettrone-fotone mediate dalla cavità. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et al. Interazione di elettroni liberi con stati ottici non lineari nei microrisonatori. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Gli elettroni catturano gli impulsi luminosi al volo. Science 383, 148–149 (2024).

Composizione tipografica: Liu Yakun

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