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"Este estudio demuestra la interacción entre los electrones libres y la óptica no lineal, genera solitones ópticos en el microscopio electrónico y permite la activación ultrarrápida de haces de electrones, ampliando la aplicación de peines de frecuencia óptica de microcavidades al control de electrones libres. Un campo completamente nuevo".

Respecto a su tesis de Ciencias, dijo Yang Yujia, alumno de pregrado de la Universidad de Zhejiang, graduado de doctorado del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Estados Unidos y becario postdoctoral en la Escuela Politécnica Federal de Lausana en Suiza.

Imagen | Yang Yujia (Fuente: Yang Yujia)

En el estudio, colocaron una microcavidad óptica de nitruro de silicio de alta calidad integrada en un chip en un microscopio electrónico de transmisión.

Utilizando la respuesta no lineal de tercer orden de las microcavidades ópticas, se genera una serie de estados ópticos no lineales, incluidos solitones de Kerr disipativos, patrones de Turing, inestabilidad de modulación caótica, etc.

Para estos estados ópticos, corresponden a diferentes modos de modulación espaciotemporal del campo luminoso en la microcavidad, y pueden formar peines de frecuencia óptica de microcavidad coherentes o incoherentes en frecuencia.

Al estudiar la interacción entre los electrones libres y estos estados ópticos no lineales, Yang Yujia y otros detectaron las "huellas dactilares" características dejadas por estos estados ópticos en el espectro de energía de los electrones libres.

En particular, los solitones de Kerr disipativos pueden formar solitones ópticos en microcavidades con tiempos de pulso inferiores a 100 fs y frecuencias de repetición superiores a 100 GHz.

Al mismo tiempo, en este trabajo, él y su equipo también estudiaron el control ultrarrápido de haces de electrones libres por parte de este solitón óptico.

(Fuente: Ciencia)

Se espera que los resultados de este proyecto se apliquen en tres aspectos:

En primer lugar, para la dinámica óptica no lineal, especialmente la óptica integrada no lineal, se puede desarrollar tecnología de detección y caracterización basada en electrones libres.

Esto no solo puede complementar eficazmente los métodos tradicionales de medición fotónica, sino que también demuestra ventajas únicas como una resolución espacial ultraalta, interacción directa con campos de luz en el chip o dentro de la microcavidad y mediciones no invasivas.

En segundo lugar, desarrollar tecnología de microscopía electrónica ultrarrápida basada en la tecnología de microscopía electrónica convencional.

En este trabajo, el grupo de investigación de Yang Yujiahe logró una interacción luz-electrón ultrarrápida mediante el uso de pulsos de solitones ópticos de femtosegundos en microcavidades ópticas integradas.

En base a esto, se espera desarrollar una tecnología de microscopía electrónica ultrarrápida basada en la microscopía electrónica convencional.

Se espera que esta tecnología pueda utilizar haces de electrones continuos, láseres continuos y chips ópticos integrados, eliminando la necesidad de láseres de modo bloqueado de femtosegundos más costosos.

Además, la tecnología de microscopía electrónica ultrarrápida se puede utilizar para obtener imágenes de resolución espacial y temporal ultraalta de la estructura del material, la dinámica ultrarrápida y la interacción entre la luz y la materia.

En tercer lugar, se utiliza en aceleradores de electrones láser dieléctricos en chips.

Las microcavidades ópticas integradas tienen un alto rango espectral libre que puede alcanzar GHz-THz.

Utilizando una estructura de microcavidad diseñada con precisión y el control de los electrones libres mediante solitones ligeros en la cavidad, se puede realizar un acelerador de microelectrones de tamaño pequeño y alta frecuencia de repetición.

Por lo tanto, se espera que se utilice en instrumentos médicos, equipos industriales y dispositivos científicos que no requieren energía electrónica ultraalta pero sí estructuras compactas.

(Fuente: Ciencia)

El microscopio electrónico que generó dos premios Nobel

Según los informes, los electrones libres tienen aplicaciones amplias y de gran alcance en la ciencia y la tecnología modernas.

Estas aplicaciones incluyen microscopios electrónicos, aceleradores de partículas, láseres de electrones libres, generación y amplificación de microondas y tubos de vacío.

Especialmente para los microscopios electrónicos, debido a la longitud de onda ultracorta de De Broglie de los electrones libres y su fuerte interacción con la materia, los microscopios electrónicos pueden lograr tecnologías de espectroscopia de energía, difracción y imágenes de resolución espacial ultraalta a nivel atómico.

En la actualidad, los microscopios electrónicos se han utilizado ampliamente en campos como la ciencia de materiales y la biología estructural.

Académicos relevantes también ganaron el Premio Nobel de Física de 1986 por sus resultados de microscopía electrónica de transmisión, y el Premio Nobel de Química de 2017 por sus resultados de microscopía crioelectrónica.

En los últimos años, la interacción de electrones y fotones libres se ha logrado mediante la introducción de estructuras nanoópticas en microscopios electrónicos.

Sobre esta base, se han logrado una serie de nuevos logros, incluida la microscopía electrónica ultrarrápida, la regulación cuántica coherente de electrones libres, pulsos de electrones de attosegundos, aceleradores de electrones en chips y nuevas fuentes de luz de electrones libres.

Sin embargo, rara vez se ha explorado la interacción de propiedades ópticas no lineales de materiales ópticos y estructuras ópticas en interacciones libres electrón-fotón.

Entonces, ¿cómo entró Yang Yujia en este campo de investigación? Esto tiene que empezar desde sus días de lectura.

Se graduó de la Universidad de Zhejiang con una licenciatura y obtuvo una maestría y un doctorado del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Estados Unidos. Durante sus estudios de doctorado, estudió principalmente nanoóptica, óptica ultrarrápida, física de electrones libres y física cuántica.

Mientras estudiaba la interacción entre electrones libres y estructuras nanoópticas, se dio cuenta de que, en comparación con las antenas nanoópticas con factores de calidad más bajos, se esperaba que las microcavidades ópticas integradas con factores de alta calidad mejoraran en gran medida la interacción entre electrones libres y fotones.

Por lo tanto, al considerar temas de investigación postdoctoral, Yang Yujia se puso en contacto con el profesor Tobias J. Kippenberg de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suiza, un conocido académico en el campo de las microcavidades ópticas integradas.

Después de eso, Yang Yujia también recibió financiación para proyectos de las "Becas Marie Curie" de la Unión Europea.

(Fuente: Ciencia)

Viaja en tren entre Alemania y Suiza con una maleta llena de instrumentos

En ese momento, el profesor Kippenberg estaba trabajando en un proyecto de colaboración con el profesor Claus Ropers del Instituto Max Planck en Alemania.

Entonces el profesor Kippenberg invitó a Yang Yujia a unirse a su grupo de investigación para realizar investigaciones postdoctorales.

En 2021, el grupo de investigación Kippenberg de Yang Yujia y el grupo de investigación Ropers desarrollaron conjuntamente una nueva plataforma experimental.

A través de esto, combinaron un microscopio electrónico de transmisión con un chip óptico integrado y utilizaron una microcavidad óptica con un factor de alta calidad para demostrar un fuerte control de fase de la función de onda de electrones libres mediante ondas de luz de baja potencia. Se publicaron artículos relacionados [1]. en naturaleza.

En 2022, utilizaron una plataforma experimental similar, así como detección de un solo electrón y un solo fotón, para demostrar pares electrón-fotón generados por electrones libres en una microcavidad óptica integrada [2], y se publicaron artículos relacionados en Science.

Sin embargo, en los estudios anteriores, solo utilizaron la respuesta óptica lineal del chip óptico integrado y la microcavidad óptica, pero no utilizaron las propiedades ópticas no lineales de la microcavidad óptica.

Para el equipo de Yang Yujia, la mayor parte de su investigación gira en torno a la óptica integrada no lineal.

Por lo tanto, en el estudio de las interacciones electrón-fotón libre, también quieren explorar la regulación de los haces de electrones libres mediante la respuesta óptica no lineal de chips ópticos integrados para llenar los vacíos en el campo.

En esta investigación, Yang Yujia acudió por primera vez al grupo de investigación de colaboradores alemanes para realizar experimentos.

Sin embargo, descubrió que el factor de calidad de la microcavidad óptica se reduciría en el microscopio electrónico, lo que daría como resultado solo un estado de múltiples solitones en lugar de un estado de un solo solitón, es decir, solo hay un pulso de solitón óptico en la microcavidad.

Después de regresar a Suiza, Yang Yujia y otros prepararon un lote de chips de microcavidades ópticas integradas con un factor de calidad más alto y decidieron utilizar modulación de banda lateral única para lograr un escaneo rápido de la frecuencia del láser para poder obtener estados de un solo solitón más fácilmente.

En abril de 2022, Yang Yujia y su colega Arslan S. Raja llegaron nuevamente al grupo de investigación del profesor Ropers en Alemania desde Suiza y generaron un estado de solitón único en un microscopio electrónico por primera vez.

El éxito de este experimento emocionó mucho a todos. Sin embargo, en un análisis de datos posterior, el profesor Kippenberg señaló que el ruido de emisión espontánea no se filtró cuando se utilizó un amplificador óptico para mejorar la potencia del láser en el experimento.

Aunque este pequeño problema no afectará la exactitud y cientificidad de todo el experimento, sí afectará la interpretación de los resultados experimentales.

En julio de 2022, Yang Yujia y otros regresaron a Alemania, repitieron el trabajo experimental anterior, filtraron adecuadamente el ruido de radiación espontáneo y finalmente completaron todo el trabajo de recopilación de datos.

"Para completar experimentos colaborativos transfronterizos, mi colega Arslan y yo cargamos dos maletas grandes llenas de equipo experimental muchas veces y tomamos trenes de 7 a 10 horas (a menudo retrasados) entre Göttingen, Alemania y Lausana, Suiza", dijo Yang Yujia. .

Posteriormente, Yang Yujia completó el procesamiento y análisis de datos de este estudio y utilizó métodos de simulación teórica para reproducir los resultados experimentales y explicar el mecanismo subyacente.

Finalmente, el artículo relacionado se publicó en Science [3] con el título "Interacción de electrones libres con estados ópticos no lineales en microresonadores".

Yang Yujia, Arslan S. Raja, Jan-Wilke Henke y F. Jasmin Kappert son los coautores.

Yang Yujia, el profesor Tobias J. Kippenberg de la Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza) y el profesor Claus Ropers del Instituto Max Planck de Alemania son coautores correspondientes.

Figura | Artículos relacionados (Fuente: Science)

Durante el mismo período, Science también publicó un artículo del profesor Albert Polman del Instituto Holandés de Física Atómica y Molecular y F. Javier García de Abajo del Instituto Español de Ciencia Fotónica El artículo de opinión [4] coescrito por el profesor. lo elogió como una innovación disruptiva que combina electrones libres y óptica no lineal.

En el siguiente paso, Yang Yujia y otros llevarán a cabo la detección de electrones libres en otros dispositivos ópticos integrados no lineales y dinámica, como la detección de láseres en chips, amplificadores ópticos, solitones oscuros y espectros supercontinuos.

Al mismo tiempo, también espera que después de completar su investigación postdoctoral, pueda regresar a China para establecer un laboratorio de investigación cruzada que pueda alcanzar el nivel líder mundial y explorar microscopios electrónicos y chips fotónicos.

Referencias:

1. Henke, J.-W. et al. La fotónica integrada permite la modulación de fase de electrones mediante haz continuo. Nature 600, 653–658 (2021).

2. Feist, A. et al. Pares electrón-fotón mediados por cavidades. Science 377, 777–780 (2022).

3. Yang, Y. et al. Interacción de electrones libres con estados ópticos no lineales en microrresonadores. Science 383, 168–173 (2024).

4. Polman, A. y García de Abajo, FJ Los electrones captan pulsos de luz al vuelo. Science 383, 148–149 (2024).

Composición tipográfica: Liu Yakun

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