集成光子芯片增强电子显微镜成像
2022-01-08 19:26:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
近日，由瑞士、德国组成的研究团队在Nature期刊上发表了集成光子学方法实现连续电子束的相位调制的最新论文。该论文的研究工作介绍了一个探索自由电子量子光学的通用平台，以及在强耦合、局域量子探测和电子-光子纠缠方面的潜在未来发展。
瑞士洛桑联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology Lausanne，EPFL）的集成光子平台可以协助量子光学和纠缠的研究。
据麦姆斯咨询报道，近日，由瑞士EPFL、德国马克斯·普朗克生物物理化学研究所（Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）和乔治-奥古斯特-哥廷根大学（Georg-August-Universität Göttingen）组成的研究团队在Nature期刊上发表了集成光子学方法实现连续电子束的相位调制的最新论文。该论文的研究工作介绍了一个探索自由电子量子光学的通用平台，以及在强耦合、局域量子探测和电子-光子纠缠方面的潜在未来发展。
瑞士研究中心EPFL利用集成光子学方法有效地调制电子束，为自由电子量子光学的研究提供了一个新的平台。
利用微环谐振器进行电子束调制（图片来源：Alex Mehler/EPFL）
正如在Nature期刊上发表的论文描述的那样，该方法还可以通过增强现有的光束控制方案，在电子显微镜中产生新的量子测量方案。
该项目是由EPFL和马克斯·普朗克生物物理化学研究所之间合作研究的，他们将通常没有联系的电子显微镜和集成光子学领域结合起来。
来自EPFL的Tobias Kippenberg说：“基于低损耗氮化硅（Si3N4）的光子集成电路已经取得了巨大的进展，并且正在有力地推动如激光雷达（LiDAR）、远程通信和量子计算等许多新兴技术和基础科学的进步。它们现在被证明是电子束操纵的一种新要素。”
该研究团队在现有工作的基础上，利用光子集成电路在芯片上以超低损耗引导光束，这是一种利用微环谐振器增强光场的方法。
以类似的方式调制电子束有助于解决近场电子显微镜的一个挑战。理论计算表明，在一定条件下，光学相干性可以由电子介导，从而有可能将电子显微镜与相干光谱学结合起来。
迄今为止，这些理论仅限于超快状态下的行为，但EPFL的研究项目使用电子显微镜和Si3N4光子集成电路，实现了连续波状态下的高效电子-光子相互作用。
图2 基于连续波光子芯片的自由电子束光学相位调制原理
原子尺度成像与光谱学的“桥梁”
该研究项目采用波导将激光引导到横截面为2 μm × 650 nm的微环谐振器中。光子芯片被放置在定制的透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）装置中，从而使电子束通过光子电路的光学近场。
这种光子芯片的设计，使在微环谐振器中传播的光速与电子的速度完全匹配，从而大大增强了电子-光子相互作用。然后研究人员通过测量吸收或发射多光子能量的电子的能量来探测这些相互作用。
在试验中，该平台仅使用了几毫瓦的连续波激光功率，就可提供连续电子束的相干相位调制。EPFL表示，这大大简化了电子束的光学控制并提高了效率，而且这种方法可以在常规TEM中无缝实现。
同样的技术也可以使电子-光子的相互作用比以前的理论限制更广泛地适用，研究人员计划将他们的研究合作扩展到新形式的量子光学和自由电子的阿秒（attosecond）计量学。
来自马克斯·普朗克生物物理化学研究所的Claus Roper说：“将电子显微镜与光子学相结合，有可能将原子级成像与相干光谱学相联系起来。对于未来，我们期望这将对微观光学激发产生前所未有的理解和控制。”
该研究项目获得了空军科学研究局（Air Force Office of Scientific Research）、瑞士国家科学基金会（Swiss National Science Foundation）、德国科学基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG）、Gottfried Wilhelm Leibniz 计划、European Union Horizon 2020研究与创新计划、马克斯·普朗克协会的开放获取基金等的资助。
论文信息：
Henke, JW., Raja, A.S., Feist, A. et al. Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation. Nature 600, 653–658 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41586-021-04197-5
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