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"Este estudo demonstra a interação entre elétrons livres e óptica não linear, gera sólitons ópticos no microscópio eletrônico e permite a ativação ultrarrápida de feixes de elétrons, estendendo a aplicação de pentes de frequência óptica de microcavidades para o controle de elétrons livres. Um campo totalmente novo."

Em relação à sua tese de ciências, Yang Yujia, ex-aluno de graduação da Universidade de Zhejiang, doutorando pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos Estados Unidos, e pós-doutorado na Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, disse.

Foto | Yang Yujia (Fonte: Yang Yujia)

No estudo, eles colocaram uma microcavidade óptica de nitreto de silício integrada de alta qualidade no chip em um microscópio eletrônico de transmissão.

Utilizando a resposta não linear de terceira ordem de microcavidades ópticas, uma série de estados ópticos não lineares são gerados, incluindo sólitons de Kerr dissipativos, padrões de Turing, instabilidade de modulação caótica, etc.

Para esses estados ópticos, eles correspondem a diferentes modos de modulação espaço-temporal do campo de luz na microcavidade, podendo formar pentes de frequência óptica de microcavidades coerentes ou incoerentes em frequência.

Ao estudar a interação entre os elétrons livres e esses estados ópticos não lineares, Yang Yujia e outros detectaram as "impressões digitais" características deixadas por esses estados ópticos no espectro de energia dos elétrons livres.

Em particular, os sólitons de Kerr dissipativos podem formar sólitons ópticos em microcavidades com tempos de pulso abaixo de 100fs e frequências de repetição acima de 100GHz.

Ao mesmo tempo, neste trabalho, ele e sua equipe também estudaram o controle ultrarrápido de feixes de elétrons livres por este sóliton óptico.

(Fonte: Ciência)

Espera-se que os resultados deste projeto sejam aplicados em três vertentes:

Primeiro, para dinâmica óptica não linear, especialmente óptica integrada não linear, pode ser desenvolvida tecnologia de detecção e caracterização baseada em elétrons livres.

Isso pode não apenas complementar efetivamente os métodos tradicionais de medição fotônica, mas também demonstrar vantagens exclusivas, como resolução espacial ultra-alta, interação direta com campos de luz no chip ou intra-microcavidades e medição não invasiva.

Em segundo lugar, desenvolver tecnologia de microscopia eletrônica ultrarrápida baseada na tecnologia de microscopia eletrônica convencional.

Neste trabalho, o grupo de pesquisa de Yang Yujiahe alcançou interação luz-elétron ultrarrápida usando pulsos de soliton ópticos de femtossegundos em microcavidades ópticas integradas.

Com base nisso, espera-se desenvolver tecnologia de microscopia eletrônica ultrarrápida baseada na microscopia eletrônica convencional.

Espera-se que esta tecnologia seja capaz de usar feixes de elétrons contínuos, lasers contínuos e chips ópticos integrados, eliminando a necessidade de lasers bloqueados no modo femtosegundo mais caros.

Além disso, a tecnologia de microscopia eletrônica ultrarrápida pode ser usada para imagens de altíssima resolução espacial e temporal da estrutura do material, dinâmica ultrarrápida e interação luz-matéria.

Terceiro, é usado em aceleradores de elétrons a laser dielétricos no chip.

As microcavidades ópticas integradas possuem uma alta faixa espectral livre que pode atingir GHz-THz.

Usando uma estrutura de microcavidade projetada com precisão e o controle de elétrons livres por sólitons de luz na cavidade, um acelerador de microelétrons de pequeno porte e alta frequência de repetição pode ser realizado.

Portanto, espera-se que seja utilizado em instrumentos médicos, equipamentos industriais e dispositivos científicos que não requeiram energia eletrônica ultra-alta, mas exijam estruturas compactas.

(Fonte: Ciência)

O microscópio eletrônico que gerou dois prêmios Nobel

Segundo relatos, os elétrons livres têm aplicações extensas e de longo alcance na ciência e tecnologia modernas.

Essas aplicações incluem microscópios eletrônicos, aceleradores de partículas, lasers de elétrons livres, geração e amplificação de microondas e tubos de vácuo.

Especialmente para microscópios eletrônicos, devido ao comprimento de onda ultracurto de Broglie dos elétrons livres e sua forte interação com a matéria, os microscópios eletrônicos podem alcançar tecnologias de imagem de resolução espacial ultra-alta de nível atômico, difração e espectroscopia de energia.

Atualmente, os microscópios eletrônicos têm sido amplamente utilizados em áreas como ciência dos materiais e biologia estrutural.

Acadêmicos relevantes também ganharam o Prêmio Nobel de Física de 1986 por seus resultados de microscopia eletrônica de transmissão, e o Prêmio Nobel de Química de 2017 por seus resultados de microscopia crioeletrônica.

Nos últimos anos, a interação de elétrons e fótons livres foi realizada através da introdução de estruturas nano-ópticas em microscópios eletrônicos.

Com base nisso, uma série de novas conquistas foram alcançadas, incluindo microscopia eletrônica ultrarrápida, regulação quântica de elétrons livres coerente, pulsos de elétrons de attossegundos, aceleradores de elétrons no chip e novas fontes de luz de elétrons livres.

No entanto, a interação de propriedades ópticas não lineares de materiais ópticos e estruturas ópticas em interações elétron-fótons livres raramente foi explorada.

Então, como Yang Yujia entrou neste campo de pesquisa? Isso tem que começar desde seus dias de leitura.

Ele se formou na Universidade de Zhejiang com bacharelado e recebeu mestrado e doutorado pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos Estados Unidos. Durante seus estudos de doutorado, ele estudou principalmente nanoóptica, óptica ultrarrápida, física de elétrons livres e física quântica.

Ao estudar a interação entre elétrons livres e estruturas nano-ópticas, ele percebeu que, em comparação com antenas nano-ópticas com fatores de qualidade mais baixos, esperava-se que microcavidades ópticas integradas com fatores de alta qualidade aumentassem muito a interação entre elétrons livres e fótons.

Portanto, ao considerar tópicos de pesquisa de pós-doutorado, Yang Yujia contatou o professor Tobias J. Kippenberg, da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, na Suíça, um conhecido estudioso na área de microcavidades ópticas integradas.

Depois disso, Yang Yujia também recebeu financiamento para projetos dos “Marie Curie Scholars” da União Europeia.

(Fonte: Ciência)

Viajar de comboio entre a Alemanha e a Suíça com uma mala cheia de instrumentos

Naquela época, o professor Kippenberg estava trabalhando em um projeto colaborativo com o professor Claus Ropers, do Instituto Max Planck, na Alemanha.

Assim, o professor Kippenberg convidou Yang Yujia para se juntar ao seu grupo de pesquisa de pós-doutorado.

Em 2021, o grupo de pesquisa Kippenberg de Yang Yujia e o grupo de pesquisa Ropers desenvolveram em conjunto uma nova plataforma experimental.

Com isso, eles combinaram um microscópio eletrônico de transmissão com um chip óptico integrado e usaram uma microcavidade óptica com um fator de alta qualidade para demonstrar um forte controle de fase da função de onda do elétron livre por ondas de luz de baixa potência [1]. na natureza.

Em 2022, eles usaram uma plataforma experimental semelhante, bem como detecção de elétron único e fóton único, para demonstrar pares elétron-fóton gerados por elétrons livres em uma microcavidade óptica integrada [2], e artigos relacionados foram publicados na Science.

No entanto, nos estudos acima, eles utilizaram apenas a resposta óptica linear do chip óptico integrado e da microcavidade óptica, mas não utilizaram as propriedades ópticas não lineares da microcavidade óptica.

Para a equipe de Yang Yujia, a maior parte de suas pesquisas gira em torno da óptica integrada não linear.

Portanto, no estudo das interações elétron-fóton livres, eles também querem explorar a regulação dos feixes de elétrons livres pela resposta óptica não linear de chips ópticos integrados para preencher as lacunas no campo.

Nesta pesquisa, Yang Yujia veio pela primeira vez ao grupo de pesquisa de colaboradores alemães para realizar experimentos.

No entanto, ele descobriu que o fator de qualidade da microcavidade óptica seria reduzido no microscópio eletrônico, resultando em apenas um estado multi-soliton em vez de um único estado soliton, ou seja, há apenas um pulso de soliton óptico na microcavidade.

Depois de retornar à Suíça, Yang Yujia e outros prepararam um lote de chips de microcavidades ópticas integradas com um fator de qualidade mais alto e decidiram usar modulação de banda lateral única para obter varredura rápida da frequência do laser, para que estados de soliton únicos pudessem ser obtidos mais facilmente.

Em abril de 2022, Yang Yujia e seu colega Arslan S. Raja vieram novamente da Suíça para o grupo de pesquisa do professor Ropers na Alemanha e geraram um único estado de soliton em um microscópio eletrônico pela primeira vez.

O sucesso desta experiência deixou todos muito entusiasmados. No entanto, na análise de dados subsequente, o professor Kippenberg apontou que o ruído de emissão espontânea não foi filtrado ao usar um amplificador óptico para aumentar a potência do laser no experimento.

Embora este pequeno problema não afete a exatidão e a cientificidade de todo o experimento, afetará a interpretação dos resultados experimentais.

Em julho de 2022, Yang Yujia e outros vieram novamente à Alemanha, repetiram o trabalho experimental anterior, filtraram adequadamente o ruído de radiação espontânea e, finalmente, concluíram todo o trabalho de coleta de dados.

“Para concluir experimentos colaborativos transfronteiriços, meu colega Arslan e eu carregamos muitas vezes duas malas grandes cheias de equipamentos experimentais e pegamos trens de 7 a 10 horas (muitas vezes atrasados) entre Göttingen, na Alemanha, e Lausanne, na Suíça”, disse Yang Yujia. .

Posteriormente, Yang Yujia concluiu o processamento e análise de dados deste estudo e usou métodos de simulação teórica para reproduzir os resultados experimentais e explicar o mecanismo subjacente.

Finalmente, o artigo relacionado foi publicado na Science [3] com o título "Interação de elétrons livres com estados ópticos não lineares em microrressonadores".

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke e F. Jasmin Kappert são os coautores.

Yang Yujia, o professor Tobias J. Kippenberg da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça, e o professor Claus Ropers do Instituto Max Planck, na Alemanha, atuam como co-autores correspondentes.

Figura Artigos relacionados (Fonte: Ciência)

Durante o mesmo período, a Science também publicou um artigo do Professor Albert Polman do Instituto Holandês de Física Atômica e Molecular e F. Javier Garcia de Abajo do Instituto Espanhol de Ciência de Fótons. O artigo de opinião [4] co-escrito pelo professor. elogiou-o como uma inovação disruptiva que combina elétrons livres e óptica não linear.

Na próxima etapa, Yang Yujia e outros conduzirão a detecção de elétrons livres em outros dispositivos ópticos e dinâmicos integrados não lineares, como detecção de lasers no chip, amplificadores ópticos, sólitons escuros e espectros supercontínuos.

Ao mesmo tempo, ele também espera que, após concluir sua pesquisa de pós-doutorado, possa retornar à China para estabelecer um laboratório de pesquisa cruzada que possa atingir o nível de liderança mundial e explorar microscópios eletrônicos e chips fotônicos.

Referências:

1. Henke, J.-W. et al. A fotônica integrada permite a modulação de fase de elétrons de feixe contínuo. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. et al. Pares elétron-fóton mediados por cavidade. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et al. Interação de elétrons livres com estados ópticos não lineares em microrressonadores. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. & García de Abajo, FJ Os elétrons capturam pulsos de luz na hora. Science 383, 148–149 (2024).

Composição: Liu Yakun

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