ニュース

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

「この研究は、自由電子と非線形光学の間の相互作用を実証し、電子顕微鏡内で光ソリトンを生成し、電子ビームの超高速ゲートを可能にし、マイクロキャビティ光周波数コムの応用を自由電子の制御に拡張します。まったく新しい分野です。」

科学論文について、浙江大学の学部卒業生であり、米国のマサチューセッツ工科大学の博士課程を卒業し、スイスのエコール工科大学フェデラーレ・ド・ローザンヌの博士研究員でもあるヤン・ユージア氏はこう語った。

写真 | 楊裕佳 (出典:楊裕佳)

この研究では、オンチップに統合された高品質の窒化ケイ素光学マイクロキャビティを透過型電子顕微鏡に配置しました。

光マイクロキャビティの三次非線形応答を利用して、散逸カーソリトン、チューリングパターン、カオス変調不安定性などを含む一連の非線形光学状態が生成されます。

これらの光学状態は、マイクロキャビティ内のライトフィールドの時空間変調の異なるモードに対応し、周波数においてコヒーレントまたはインコヒーレントのマイクロキャビティ光周波数コムを形成することができます。

Yang Yujia らは、自由電子とこれらの非線形光学状態の間の相互作用を研究することにより、自由電子エネルギー スペクトル内でこれらの光学状態によって残された特徴的な「指紋」を検出しました。

特に、散逸カーソリトンは、100fs未満のパルス時間および100GHzを超える繰り返し周波数を有するマイクロキャビティ内に光ソリトンを形成することができる。

同時に、この研究では、彼と彼のチームは、この光ソリトンによる自由電子ビームの超高速制御も研究しました。

(出典: 科学)

このプロジェクトの成果は、次の 3 つの側面で応用されることが期待されています。

まず、非線形光学ダイナミクス、特に非線形集積光学に関しては、自由電子に基づく検出および特性評価技術を開発できます。

これは、従来のフォトニクス測定方法を効果的に補完するだけでなく、超高空間分解能、オンチップまたはマイクロキャビティ内のライトフィールドとの直接相互作用、非侵襲的測定などの独自の利点も実証します。

第二に、従来の電子顕微鏡技術をベースにした超高速電子顕微鏡技術を開発する。

この研究で、Yang Yujia と彼の研究グループは、集積光マイクロキャビティ内でフェムト秒光ソリトンパルスを使用することにより、超高速光電子相互作用を達成しました。

これに基づいて、従来の電子顕微鏡をベースとした超高速電子顕微鏡技術の開発が期待されています。

この技術では、連続電子ビーム、連続レーザー、統合光チップが使用できるようになり、より高価なフェムト秒モードロックレーザーが不要になることが期待されています。

さらに、超高速電子顕微鏡技術は、材料構造、超高速ダイナミクス、および光物質相互作用の超高空間および時間分解能イメージングに使用できます。

第三に、オンチップ誘電体レーザー電子加速器で使用されます。

統合された光マイクロキャビティは、GHz ～ THz に達する高い自由スペクトル範囲を備えています。

精密に設計された微小共振器構造と、共振器内の軽いソリトンによる自由電子の制御により、小型で繰り返し周波数の高い微小電子加速器を実現します。

そのため、超高電子エネルギーを必要とせず、コンパクトな構造が求められる医療機器や産業機器、科学機器などへの応用が期待されています。

(出典: 科学)

2 つのノーベル賞を生み出した電子顕微鏡

報告によると、自由電子は現代の科学技術において広範かつ広範囲に応用されています。

これらの用途には、電子顕微鏡、粒子加速器、自由電子レーザー、マイクロ波の発生と増幅、真空管などが含まれます。

特に電子顕微鏡の場合、自由電子の超短いドブロイ波長と物質との強い相互作用により、電子顕微鏡は原子レベルの超高空間分解能のイメージング、回折、エネルギー分光技術を実現できます。

現在、電子顕微鏡は材料科学や構造生物学などの分野で広く使われています。

関連する学者は、透過型電子顕微鏡の結果で 1986 年のノーベル物理学賞を受賞し、クライオ電子顕微鏡の結果で 2017 年のノーベル化学賞も受賞しました。

近年、自由電子と光子の相互作用は、電子顕微鏡にナノ光学構造を導入することによって実現されています。

これに基づいて、超高速電子顕微鏡、量子コヒーレント自由電子制御、アト秒電子パルス、オンチップ電子加速器、新しい自由電子光源など、一連の新しい成果が達成されました。

しかし、自由電子-光子相互作用における光学材料と光学構造の非線形光学特性の相互作用はほとんど研究されていません。

それでは、Yang Yujia はどのようにしてこの研究分野に入ったのでしょうか?これは彼の読書時代から始まらなければなりません。

彼は浙江大学を学士号を取得して卒業し、米国のマサチューセッツ工科大学で修士号と博士号を取得しました。博士課程の研究中、彼は主にナノ光学、超高速光学、自由電子物理学、量子物理学を研究しました。

彼は、自由電子とナノ光学構造の間の相互作用を研究しているときに、品質係数が低いナノ光アンテナと比較して、品質係数が高い集積光マイクロキャビティが自由電子と光子の間の相互作用を大幅に強化すると期待されることに気づきました。

したがって、博士研究員の研究テーマを検討する際、Yang Yujia 氏は、集積光マイクロキャビティの分野で著名な学者であるスイス、ローザンヌ連邦エコール工科大学のトビアス J. キッペンバーグ教授に連絡しました。

その後、楊裕佳さんは欧州連合の「マリー・キュリー奨学生」からもプロジェクトの資金提供を受けました。

(出典: 科学)

楽器を詰めたスーツケースを持ってドイツとスイス間の電車に乗る

当時、キッペンベルク教授はたまたまドイツのマックス・プランク研究所のクラウス・ローパース教授と共同プロジェクトに取り組んでいた。

そこでキッペンバーグ教授はヤン・ユージアを博士研究員として彼の研究グループに招待した。

2021年、Yang Yujia氏のKippenberg研究グループとRopers研究グループは、新しい実験プラットフォームを共同開発した。

これにより、彼らは透過型電子顕微鏡と統合光学チップを組み合わせ、高品質係数光マイクロキャビティを使用して、自由電子波動関数における低出力光波の強力な位相制御を実証しました [1]。自然。

2022 年に、彼らは同様の実験プラットフォームと単一電子および単一光子の検出を使用して、統合光マイクロキャビティ内の自由電子によって生成される電子光子ペアを実証し [2]、関連論文が Science 誌に掲載されました。

しかし、上記の研究では、統合された光チップと光マイクロキャビティの線形光学応答のみが使用され、光マイクロキャビティの非線形光学特性は使用されていません。

Yang Yujia 氏のチームの研究のほとんどは、非線形集積光学に関するものです。

したがって、自由電子と光子の相互作用の研究では、この分野のギャップを埋めるために、集積光学チップの非線形光学応答による自由電子ビームの制御も探求したいと考えています。

この研究で、楊裕佳氏はまずドイツの共同研究者の研究グループに来て実験を行った。

しかし、彼は、電子顕微鏡では光微小共振器の品質係数が低下し、その結果単一ソリトン状態ではなくマルチソリトン状態のみが生じること、つまり微小共振器内に光ソリトンパルスが 1 つだけ存在することを発見しました。

スイスに戻った後、Yang Yujiaらは、より高い品質係数を備えた集積光マイクロキャビティチップのバッチを準備し、単側波帯変調を使用してレーザー周波数の高速走査を実現し、単一ソリトン状態をより簡単に取得できるようにすることにしました。

2022年4月、ヤン・ユジア氏と同僚のアルスラン・S・ラジャ氏はスイスからドイツのローパース教授の研究グループに再びやって来て、電子顕微鏡内で初めて単一ソリトン状態を生成した。

この実験の成功にみんなはとても興奮しました。しかし、その後のデータ分析でキッペンバーグ教授は、実験でレーザー出力を高めるために光増幅器を使用した際に自然放出ノイズが除去されなかったことを指摘しました。

この小さな問題は実験全体の正確性や科学性に影響を与えることはありませんが、実験結果の解釈には影響します。

2022年7月、Yang Yujiaらは再びドイツを訪れ、以前の実験作業を繰り返し、自然放射ノイズを適切に除去し、最終的にすべてのデータ収集作業を完了した。

「国境を越えた共同実験を完了するために、同僚のアルスランと私は、実験器具を詰めた2つの大きなスーツケースを何度も運び、ドイツのゲッティンゲンとスイスのローザンヌの間で7〜10時間（しばしば遅延）の電車に乗りました」と楊裕佳氏は語った。 。

その後、Yang Yujia 氏はこの研究のデータ処理とデータ分析を完了し、理論的シミュレーション手法を使用して実験結果を再現し、根底にあるメカニズムを説明しました。

最後に、関連する論文が「微小共振器における非線形光学状態との自由電子相互作用」というタイトルで Science [3] に掲載されました。

Yang Yujia、Arslan S. Raja、Jan-Wilke Henke、F. Jasmin Kappert が共著者です。

ヤン・ユジア氏、スイスのローザンヌ連邦エコール工科大学のトビアス・J・キッペンバーグ教授、ドイツのマックス・プランク研究所のクラウス・ローパース教授が共同責任著者を務めている。

図 | 関連論文 (出典: Science)

同時期に、Science誌はオランダ原子分子物理学研究所のアルバート・ポルマン教授とスペイン光子科学研究所のF・ハビエル・ガルシア・デ・アバホ教授による論文も発表した。同教授が共著した意見記事[4]。自由電子と非線形光学を組み合わせた破壊的イノベーションであると賞賛した。

次のステップでは、Yang Yujiaらは、オンチップレーザー、光増幅器、ダークソリトン、スーパーコンティニュームスペクトルの検出など、他の非線形集積光学デバイスおよびダイナミクス上で自由電子検出を実施する予定である。

同時に、彼はポスドク研究を終えた後、中国に戻って、世界トップレベルに達し、電子顕微鏡とフォトニクスチップを研究できる共同研究研究所を設立したいとも願っている。

参考文献:

1. Henke, J.-W. et al. 集積フォトニクスにより連続ビーム電子位相変調が可能に。Nature 600, 653–658 (2021)。

2. Feist, A. et al. キャビティ媒介電子光子対 Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et al.「微小共振器における自由電子と非線形光学状態との相互作用」Science 383, 168–173 (2024)。

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ 電子は光パルスをその場でキャッチする。Science 383, 148–149 (2024)。

植字：リウ・ヤクン

02/

03/

04/

05/