소식

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"이 연구는 자유 전자와 비선형 광학 사이의 상호 작용을 보여주고, 전자 현미경에서 광학 솔리톤을 생성하고, 전자 빔의 초고속 게이팅을 가능하게 하여 미세공동 광학 주파수 빗의 적용을 자유 전자 제어로 확장합니다. 완전히 새로운 분야입니다."

자신의 과학 논문에 대해 저장대학교 학부 졸업생, 미국 매사추세츠공과대학 박사과정 졸업, 스위스 로잔공과대학에서 박사후 연구원인 양 유지아(Yang Yujia)는 이렇게 말했습니다.

사진 | 양유자(출처: 양유자)

이 연구에서 그들은 온칩 통합 고품질 실리콘 질화물 광학 미세공동을 투과전자현미경에 배치했습니다.

광학 미세공동의 3차 비선형 응답을 활용하여 소산성 커 솔리톤, 튜링 패턴, 혼돈 변조 불안정성 등을 포함한 일련의 비선형 광학 상태가 생성됩니다.

이러한 광학 상태의 경우, 미세공동 내 광장의 시공간 변조의 다양한 모드에 해당하며, 주파수에서 일관되거나 일관되지 않은 미세공동 광 주파수 빗살을 형성할 수 있습니다.

자유 전자와 이러한 비선형 광학 상태 사이의 상호 작용을 연구함으로써 Yang Yujia와 다른 연구자들은 자유 전자 에너지 스펙트럼에서 이러한 광학 상태에 의해 남겨진 특징적인 "지문"을 발견했습니다.

특히 소산성 커 솔리톤은 펄스 시간이 100fs 미만이고 반복 주파수가 100GHz 이상인 미세공동에서 광학 솔리톤을 형성할 수 있습니다.

동시에, 이 연구에서 그와 그의 팀은 이 광학 솔리톤에 의한 자유 전자빔의 초고속 제어도 연구했습니다.

(출처: 사이언스)

본 프로젝트의 결과는 다음 세 가지 측면에서 적용될 것으로 예상됩니다.

첫째, 비선형 광학 역학, 특히 비선형 집적 광학의 경우 자유 전자를 기반으로 한 검출 및 특성화 기술을 개발할 수 있습니다.

이는 기존 포토닉스 측정 방법을 효과적으로 보완할 수 있을 뿐만 아니라 초고공간 분해능, 온칩 또는 미세공동 내 광장과의 직접적인 상호 작용, 비침습적 측정과 같은 고유한 이점을 보여줍니다.

둘째, 기존 전자현미경 기술을 기반으로 초고속 전자현미경 기술을 개발한다.

이 연구에서 Yang Yujia와 그의 연구 그룹은 통합된 광학 미세공동에서 펨토초 광학 솔리톤 펄스를 사용하여 초고속 광전자 상호작용을 달성했습니다.

이를 바탕으로 기존 전자현미경 기반의 초고속 전자현미경 기술 개발이 기대된다.

이 기술은 연속 전자빔, 연속 레이저 및 통합 광학 칩을 사용할 수 있어 더 비싼 펨토초 모드 잠금 레이저가 필요하지 않을 것으로 예상됩니다.

또한, 초고속 전자현미경 기술은 물질 구조의 초고속 공간 및 시간 해상도 이미징, 초고속 역학 및 가벼운 물질 상호 작용에 사용될 수 있습니다.

셋째, 온칩 유전체 레이저 전자 가속기에 사용됩니다.

통합된 광학 미세공동은 GHz-THz에 도달할 수 있는 높은 자유 스펙트럼 범위를 갖습니다.

정밀하게 설계된 미세공동 구조와 공극 내 광 솔리톤에 의한 자유전자 제어를 통해 소형, 고반복 주파수의 미세전자 가속기를 구현할 수 있습니다.

따라서 초고전자에너지를 필요로 하지 않지만 컴팩트한 구조를 요구하는 의료기기, 산업기기, 과학기기 등에 활용될 것으로 기대된다.

(출처: 사이언스)

두 개의 노벨상을 탄생시킨 전자현미경

보고서에 따르면 자유 전자는 현대 과학 및 기술 분야에서 광범위하고 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.

이러한 응용 분야에는 전자 현미경, 입자 가속기, 자유 전자 레이저, 마이크로파 생성 및 증폭, 진공관이 포함됩니다.

특히 전자현미경의 경우 자유전자의 드브로이 파장이 매우 짧고 물질과의 강력한 상호작용으로 인해 전자현미경은 원자 수준의 초고공간 분해능 이미징, 회절 및 에너지 분광학 기술을 구현할 수 있습니다.

현재 전자현미경은 재료과학, 구조생물학 등의 분야에서 널리 사용되고 있다.

관련 학자들은 또한 투과전자현미경 결과로 1986년 노벨 물리학상을, 저온전자현미경 결과로 2017년 노벨 화학상을 수상했습니다.

최근에는 전자현미경에 나노광학구조를 도입함으로써 자유전자와 광자의 상호작용이 실현되고 있다.

이를 바탕으로 초고속 전자현미경, 양자 결맞음 자유전자 조절, 아토초 전자 펄스, 온칩 전자 가속기, 새로운 자유 전자 광원 등 일련의 새로운 성과를 달성했습니다.

그러나 자유 전자-광자 상호 작용에서 광학 재료의 비선형 광학 특성과 광학 구조의 상호 작용은 거의 연구되지 않았습니다.

그렇다면 Yang Yujia는 어떻게 이 연구 분야에 입문하게 되었나요? 이것은 그의 독서 시절부터 시작되어야합니다.

저장대학교에서 학사학위를 취득하고, 미국 매사추세츠공과대학에서 석사, 박사학위를 받았다. 박사과정 동안 그는 주로 나노광학, 초고속광학, 자유전자물리학, 양자물리학을 공부했습니다.

그는 자유 전자와 나노 광학 구조 사이의 상호 작용을 연구하는 동안 품질 인자가 낮은 나노 광학 안테나와 비교하여 품질 인자가 높은 통합 광학 미세공동이 자유 전자와 광자 사이의 상호 작용을 크게 향상시킬 것으로 예상된다는 것을 깨달았습니다.

따라서 박사후 연구 주제를 고려할 때 Yang Yujia는 통합 광학 미세공동 분야의 유명한 학자인 스위스 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne의 Tobias J. Kippenberg 교수에게 연락했습니다.

그 후 양유자 역시 유럽연합의 '마리 퀴리 학자'로부터 프로젝트 자금을 지원받았다.

(출처: 사이언스)

악기로 가득 찬 여행가방을 들고 독일과 스위스 간 기차를 타보세요

당시 키펜베르크 교수는 우연히 독일 막스플랑크 연구소의 클라우스 로퍼스 교수와 공동 프로젝트를 진행하고 있었다.

그래서 Kippenberg 교수는 박사후 연구를 위해 Yang Yujia를 자신의 연구 그룹에 합류하도록 초대했습니다.

2021년에는 Yang Yujia의 Kippenberg 연구 그룹과 Ropers 연구 그룹이 공동으로 새로운 실험 플랫폼을 개발했습니다.

이를 통해 투과형 전자현미경과 집적광칩을 결합하고, 고품질 인자 광학 미세공동을 이용하여 자유전자파함수에 대한 저전력 광파의 강력한 위상제어를 입증한 관련 논문이 게재되었다[1]. 자연.

2022년에 그들은 유사한 실험 플랫폼과 단일 전자 및 단일 광자 검출을 사용하여 통합 광학 미세공동에서 자유 전자에 의해 생성된 전자-광자 쌍을 시연했으며[2] 관련 논문이 Science에 게재되었습니다.

그러나 위의 연구에서는 집적 광 칩과 광 미세 공간의 선형 광학 응답만을 사용했을 뿐, 광 미세 공간의 비선형 광학 특성은 활용하지 않았다.

Yang Yujia 팀의 경우 대부분의 연구는 비선형 통합 광학에 관한 것입니다.

따라서 자유 전자-광자 상호 작용 연구에서 그들은 현장의 간격을 메우기 위해 통합된 광학 칩의 비선형 광학 응답에 의한 자유 전자빔의 제어를 탐구하려고 합니다.

이번 연구에서 양유자(Yang Yujia)는 실험을 수행하기 위해 처음으로 독일 공동 연구 그룹에 왔습니다.

그러나 그는 전자현미경에서 광학 미세공동의 품질 인자가 감소하여 단일 솔리톤 상태가 아닌 다중 솔리톤 상태, 즉 미세공동에 광학 솔리톤 펄스가 하나만 존재한다는 것을 발견했습니다.

스위스로 돌아온 후 Yang Yujia와 다른 사람들은 더 높은 품질 요소를 갖춘 통합 광학 미세 공동 칩 배치를 준비하고 단일 솔리톤 상태를 더 쉽게 얻을 수 있도록 레이저 주파수의 빠른 스캐닝을 달성하기 위해 단일 측파대 변조를 사용하기로 결정했습니다.

2022년 4월 양 유지아(Yang Yujia)와 그의 동료 아르슬란 S. 라자(Arslan S. Raja)는 다시 스위스에서 독일 로퍼스 교수 연구팀에 왔고 전자현미경에서 처음으로 단일 솔리톤 상태를 생성했다.

이 실험의 성공은 모두를 매우 흥분하게 만들었습니다. 그러나 후속 데이터 분석에서 키펜베르그 교수는 실험에서 레이저 출력을 높이기 위해 광증폭기를 사용했을 때 자연방출 잡음이 걸러지지 않았다는 점을 지적했다.

이 작은 문제가 실험 전체의 정확성과 과학성에 영향을 미치지는 않겠지만, 실험 결과의 해석에는 영향을 미치게 됩니다.

2022년 7월 양유자 등은 다시 독일로 건너와 이전 실험 작업을 반복하고 자연방사선 소음을 적절하게 필터링해 마침내 모든 데이터 수집 작업을 완료했습니다.

양유자(Yang Yujia)는 "국경을 넘나드는 공동 실험을 완료하기 위해 동료 아르슬란(Arslan)과 실험 장비가 가득 담긴 대형 여행가방 두 개를 여러 차례 들고 다니며 독일 괴팅겐과 스위스 로잔 간 기차를 7~10시간(종종 연착)을 탔다"고 말했다. .

이후 Yang Yujia는 본 연구의 데이터 처리 및 데이터 분석을 완료하고 이론적 시뮬레이션 방법을 사용하여 실험 결과를 재현하고 기본 메커니즘을 설명했습니다.

마지막으로 관련 논문이 "마이크로 공진기의 비선형 광학 상태와 자유 전자 상호 작용"이라는 제목으로 Science [3]에 게재되었습니다.

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke, F. Jasmin Kappert가 공동 저자입니다.

Yang Yujia, 스위스 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne의 Tobias J. Kippenberg 교수, 독일 막스 플랑크 연구소의 Claus Ropers 교수가 공동 교신저자로 활동하고 있습니다.

그림 | 관련 논문 (출처: 사이언스)

같은 기간 사이언스는 네덜란드 원자 및 분자 물리학 연구소의 Albert Polman 교수와 스페인 광자 과학 연구소의 F. Javier Garcia de Abajo 교수가 공동 집필한 논문도 발표했습니다. 자유 전자와 비선형 광학을 결합한 파괴적인 혁신이라고 칭찬했습니다.

다음 단계에서 Yang Yujia 등은 온칩 레이저, 광 증폭기, 암솔리톤 및 초연속 스펙트럼 감지와 같은 기타 비선형 통합 광학 장치 및 역학에 대한 자유 전자 감지를 수행할 예정입니다.

동시에 그는 박사후 연구를 마친 후 중국으로 돌아와 세계 최고의 수준에 도달할 수 있는 교차 연구 실험실을 설립하고 전자현미경과 포토닉스 칩을 탐구할 수 있기를 바라고 있습니다.

참고자료:

1. Henke, J.-W. et al. 통합 광자공학은 연속 빔 전자 위상 변조를 가능하게 합니다. Nature 600, 653–658(2021).

2. Feist, A. et al. 공동 매개 전자-광자 쌍. Science 377, 777–780(2022).

3. Yang, Y. et al. 마이크로공진기에서 비선형 광학 상태를 갖는 자유 전자 상호작용. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ 전자는 즉석에서 빛 펄스를 포착합니다. Science 383, 148–149(2024).

조판: Liu Yakun

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