Новости

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

«Это исследование демонстрирует взаимодействие между свободными электронами и нелинейной оптикой, генерирует оптические солитоны в электронном микроскопе и обеспечивает сверхбыстрое стробирование электронных лучей, расширяя возможности применения гребенок оптических частот с микрорезонаторами для управления свободными электронами. Совершенно новая область».

Что касается его научной диссертации, сказал Ян Юйцзя, выпускник бакалавриата Чжэцзянского университета, докторант Массачусетского технологического института в США и научный сотрудник Федеральной политехнической школы Лозанны в Швейцарии.

Изображение | Ян Юйцзя (Источник: Ян Юйцзя)

В ходе исследования они поместили встроенный в кристалл высококачественный оптический микрорезонатор из нитрида кремния в просвечивающий электронный микроскоп.

Используя нелинейный отклик оптических микрорезонаторов третьего порядка, генерируется ряд нелинейных оптических состояний, включая диссипативные солитоны Керра, паттерны Тьюринга, нестабильность хаотической модуляции и т. д.

Для этих оптических состояний они соответствуют различным режимам пространственно-временной модуляции светового поля в микрорезонаторе и могут образовывать когерентные или некогерентные по частоте гребенки оптических частот микрорезонатора.

Изучая взаимодействие между свободными электронами и этими нелинейными оптическими состояниями, Ян Юйцзя и другие обнаружили характерные «отпечатки пальцев», оставленные этими оптическими состояниями в энергетическом спектре свободных электронов.

В частности, диссипативные солитоны Керра могут образовывать оптические солитоны в микрорезонаторах с длительностью импульса менее 100 фс и частотой повторения выше 100 ГГц.

В то же время в этой работе он и его команда также изучали сверхбыстрое управление пучками свободных электронов с помощью этого оптического солитона.

(Источник: Наука)

Ожидается, что результаты этого проекта будут применяться в трех аспектах:

Во-первых, для нелинейной оптической динамики, особенно нелинейной интегральной оптики, могут быть разработаны технологии обнаружения и определения характеристик на основе свободных электронов.

Это может не только эффективно дополнять традиционные методы фотоники, но и демонстрировать уникальные преимущества, такие как сверхвысокое пространственное разрешение, прямое взаимодействие со световыми полями на кристалле или внутри микрорезонатора, а также неинвазивные измерения.

Во-вторых, разработать технологию сверхбыстрой электронной микроскопии, основанную на традиционной технологии электронной микроскопии.

В этой работе Ян Юйцзя и его исследовательская группа достигли сверхбыстрого взаимодействия света с электронами, используя фемтосекундные оптические солитонные импульсы в интегрированных оптических микрорезонаторах.

На основе этого предполагается разработать технологию сверхбыстрой электронной микроскопии на основе традиционной электронной микроскопии.

Ожидается, что эта технология сможет использовать непрерывные электронные лучи, непрерывные лазеры и интегрированные оптические чипы, устраняя необходимость в более дорогих фемтосекундных лазерах с синхронизацией мод.

Кроме того, технология сверхбыстрой электронной микроскопии может использоваться для получения изображений структуры материала, сверхбыстрой динамики и взаимодействия света с веществом со сверхвысоким пространственным и временным разрешением.

В-третьих, он используется во встроенных диэлектрических лазерных ускорителях электронов.

Интегрированные оптические микрорезонаторы имеют широкий свободный спектральный диапазон, который может достигать ГГц-ТГц.

Используя точно спроектированную структуру микрорезонатора и контроль свободных электронов с помощью легких солитонов в резонаторе, можно реализовать малогабаритный микроэлектронный ускоритель с высокой частотой повторения.

Поэтому ожидается, что он будет использоваться в медицинских инструментах, промышленном оборудовании и научных устройствах, которые не требуют сверхвысокой энергии электронов, но требуют компактных структур.

(Источник: Наука)

Электронный микроскоп, принесший две Нобелевские премии

По имеющимся данным, свободные электроны имеют обширные и далеко идущие применения в современной науке и технике.

Эти приложения включают электронные микроскопы, ускорители частиц, лазеры на свободных электронах, генерацию и усиление микроволнового излучения, а также электронные лампы.

Специально для электронных микроскопов, благодаря сверхкороткой длине волны де Бройля свободных электронов и их сильному взаимодействию с веществом, электронные микроскопы могут обеспечить технологии визуализации сверхвысокого пространственного разрешения на атомном уровне, дифракции и энергетической спектроскопии.

В настоящее время электронные микроскопы широко используются в таких областях, как материаловедение и структурная биология.

Соответствующие ученые также получили Нобелевскую премию по физике 1986 года за результаты просвечивающей электронной микроскопии и Нобелевскую премию по химии 2017 года за результаты криоэлектронной микроскопии.

В последние годы взаимодействие свободных электронов и фотонов удалось реализовать посредством внедрения нанооптических структур в электронные микроскопы.

На основе этого был достигнут ряд новых достижений, включая сверхбыструю электронную микроскопию, квантовое когерентное регулирование свободных электронов, аттосекундные электронные импульсы, встроенные ускорители электронов и новые источники света на свободных электронах.

Однако взаимодействие нелинейно-оптических свойств оптических материалов и оптических структур в свободных электрон-фотонных взаимодействиях исследовалось редко.

Итак, как же Ян Юйцзя вошел в эту область исследований? Это должно начаться со времен его чтения.

Он окончил Чжэцзянский университет со степенью бакалавра, а также получил степени магистра и доктора Массачусетского технологического института в США. Во время учебы в аспирантуре он в основном изучал нанооптику, сверхбыструю оптику, физику свободных электронов и квантовую физику.

Изучая взаимодействие между свободными электронами и нанооптическими структурами, он понял, что по сравнению с нанооптическими антеннами с более низкой добротностью интегрированные оптические микрорезонаторы с высокой добротностью должны значительно улучшить взаимодействие между свободными электронами и фотонами.

Поэтому, рассматривая темы постдокторских исследований, Ян Юйцзя связался с профессором Тобиасом Дж. Киппенбергом из Федеральной политехнической школы Лозанны, Швейцария, известным ученым в области интегральных оптических микрорезонаторов.

После этого Ян Юйцзя также получил финансирование проекта от «Ученых Марии Кюри» Европейского Союза.

(Источник: Наука)

Сядьте на поезд между Германией и Швейцарией с чемоданом, полным инструментов.

В то время профессор Киппенберг работал над совместным проектом с профессором Клаусом Роперсом из Института Макса Планка в Германии.

Поэтому профессор Киппенберг пригласил Ян Юйцзя присоединиться к его исследовательской группе для проведения постдокторских исследований.

В 2021 году исследовательская группа Киппенберга Ян Юйцзя и исследовательская группа Роперса совместно разработали новую экспериментальную платформу.

Благодаря этому они объединили просвечивающий электронный микроскоп со встроенным оптическим чипом и использовали оптический микрорезонатор с высоким коэффициентом добротности, чтобы продемонстрировать сильный фазовый контроль маломощных световых волн на волновой функции свободных электронов [1]. Природа.

В 2022 году они использовали аналогичную экспериментальную платформу, а также детектирование одиночных электронов и одиночных фотонов, чтобы продемонстрировать электрон-фотонные пары, генерируемые свободными электронами в интегрированном оптическом микрорезонаторе [2], и соответствующие статьи были опубликованы в журнале Science.

Однако в вышеупомянутых исследованиях они использовали только линейный оптический отклик интегрированного оптического чипа и оптического микрорезонатора, но не использовали нелинейные оптические свойства оптического микрорезонатора.

Большая часть исследований команды Ян Юйцзя связана с нелинейной интегральной оптикой.

Поэтому при изучении взаимодействий свободных электронов и фотонов они также хотят изучить управление пучком свободных электронов с помощью нелинейного оптического отклика встроенного оптического чипа, чтобы заполнить пробел в поле.

В этом исследовании Ян Юйцзя впервые пришел в исследовательскую группу немецких сотрудников для проведения экспериментов.

Однако он обнаружил, что добротность оптического микрорезонатора в электронном микроскопе будет снижена, в результате чего вместо односолитонного состояния возникнет только многосолитонное состояние, то есть в микрорезонаторе будет только один оптический солитонный импульс.

Вернувшись в Швейцарию, Ян Юйцзя и другие подготовили партию интегрированных оптических микрорезонаторных чипов с более высокой добротностью и решили использовать однополосную модуляцию для достижения быстрого сканирования частоты лазера, чтобы можно было легче получать отдельные солитонные состояния.

В апреле 2022 года Ян Юйцзя и его коллега Арслан С. Раджа снова приехали в исследовательскую группу профессора Роперса в Германии из Швейцарии и впервые создали односолитонное состояние в электронном микроскопе.

Успех этого эксперимента всех очень взволновал. Однако при последующем анализе данных профессор Киппенберг отметил, что шум спонтанного излучения не был отфильтрован при использовании оптического усилителя для повышения мощности лазера в эксперименте.

Хотя эта небольшая проблема не повлияет на правильность и научность всего эксперимента, она повлияет на интерпретацию результатов эксперимента.

В июле 2022 года Ян Юйцзя и другие снова приехали в Германию, повторили предыдущую экспериментальную работу, должным образом отфильтровали спонтанный радиационный шум и, наконец, завершили все работы по сбору данных.

«Чтобы завершить совместные трансграничные эксперименты, мы с моим коллегой Арсланом много раз везли два больших чемодана с экспериментальным оборудованием и ездили на 7-10-часовом поезде (часто с задержкой) между Геттингеном, Германия, и Лозанной, Швейцария», — сказал Ян Юйцзя. .

Впоследствии Ян Юйцзя завершил обработку и анализ данных этого исследования и использовал методы теоретического моделирования для воспроизведения экспериментальных результатов и объяснения основного механизма.

Наконец, соответствующая статья была опубликована в журнале Science [3] под названием «Взаимодействие свободных электронов с нелинейными оптическими состояниями в микрорезонаторах».

Соавторы — Ян Юйцзя, Арслан С. Раджа, Ян-Вилке Хенке и Ф. Жасмин Капперт.

Ян Юйя, профессор Тобиас Дж. Киппенберг из Федеральной политехнической школы Лозанны, Швейцария, и профессор Клаус Роперс из Института Макса Планка в Германии являются соавторами.

Рисунок | Похожие статьи (Источник: Наука)

В тот же период журнал Science также опубликовал статью профессора Альберта Полмана из Нидерландского института атомной и молекулярной физики и Ф. Хавьера Гарсиа де Абахо из Испанского института фотонной науки. Авторская статья [4] написана в соавторстве с профессором. похвалил его как революционную инновацию, сочетающую свободные электроны и нелинейную оптику.

На следующем этапе Ян Юйцзя и другие проведут обнаружение свободных электронов в других нелинейных интегральных оптических устройствах и динамиках, таких как обнаружение внутрикристальных лазеров, оптических усилителей, темных солитонов и спектров суперконтинуума.

В то же время он также надеется, что после завершения своих постдокторских исследований он сможет вернуться в Китай, чтобы создать лабораторию перекрестных исследований, которая сможет достичь ведущего мирового уровня и исследовать электронные микроскопы и фотонные чипы.

Использованная литература:

1. Хенке, Дж.-В. и др. Интегрированная фотоника обеспечивает непрерывную модуляцию фазы электронов пучка. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Фейст, А. и др. Электронно-фотонные пары, опосредованные полостью. Science 377, 777–780 (2022).

3. Янг, И. и др. Взаимодействие свободных электронов с нелинейными оптическими состояниями в микрорезонаторах. Science 383, 168–173 (2024).

4. Полман, А. и Гарсия де Абахо, Ф. Дж. Электроны ловят световые импульсы на лету. Science 383, 148–149 (2024).

Набор текста: Лю Якунь

02/

03/

04/

05/