“本次研究展示了自由電子與非線(xiàn)性光學(xué)的相互作用,在電子顯微鏡中生成了光孤子,并能實(shí)現(xiàn)對(duì)于電子束的超快門(mén)控,將微腔光頻梳的應(yīng)用拓展到了自由電子調(diào)控這一全新領(lǐng)域?!?/strong>
對(duì)于自己的 Science 一作論文,浙江大學(xué)本科校友、美國(guó)麻省理工學(xué)院博士畢業(yè)生、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院博士后楊宇嘉表示。
圖 | 楊宇嘉(來(lái)源:楊宇嘉)
研究中,他們將片上集成的高品質(zhì)因子氮化硅光學(xué)微腔置入透射電子顯微鏡中。
利用光學(xué)微腔的三階非線(xiàn)性響應(yīng),產(chǎn)生了一系列非線(xiàn)性光學(xué)態(tài),包括耗散克爾孤子、圖靈斑圖、混沌調(diào)制不穩(wěn)定性等。
對(duì)于這些光學(xué)態(tài)來(lái)說(shuō),它們對(duì)應(yīng)著微腔內(nèi)光場(chǎng)的不同模式的時(shí)空調(diào)制,在頻率上能夠形成相干或非相干的微腔光頻梳。
通過(guò)研究自由電子與這些非線(xiàn)性光學(xué)態(tài)的相互作用,楊宇嘉等人探測(cè)到了這些光學(xué)態(tài)在自由電子能譜中留下的特征性的“指紋”。
特別是耗散克爾孤子,它能在微腔中形成脈沖時(shí)間在 100fs 以下、重復(fù)頻率在 100GHz 以上的光孤子。
同時(shí),在本次工作之中,他和所在團(tuán)隊(duì)也研究了這種光孤子對(duì)于自由電子束的超快調(diào)控。
(來(lái)源:Science)
預(yù)計(jì)本次成果將實(shí)現(xiàn)三方面的應(yīng)用:
其一,針對(duì)非線(xiàn)性光學(xué)動(dòng)力學(xué)、尤其是非線(xiàn)性集成光學(xué),可以開(kāi)發(fā)基于自由電子的探測(cè)表征技術(shù)。
這不僅能為傳統(tǒng)的光子學(xué)測(cè)量方法帶來(lái)有效補(bǔ)充,并能展示超高的空間分辨率、與片上或微腔內(nèi)光場(chǎng)的直接作用、以及及非侵入式測(cè)量等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
其二,在常規(guī)電子顯微鏡的技術(shù)基礎(chǔ)之上,開(kāi)發(fā)超快電子顯微鏡技術(shù)。
本次工作之中,楊宇嘉和所在課題組通過(guò)使用集成光學(xué)微腔中的飛秒光孤子脈沖,實(shí)現(xiàn)了超快的光-電子相互作用。
基于此,有望在常規(guī)電子顯微鏡的基礎(chǔ)之上,開(kāi)發(fā)超快電子顯微鏡技術(shù)。
預(yù)計(jì)這種技術(shù)將能使用連續(xù)的電子束、連續(xù)的激光、以及集成光學(xué)芯片,無(wú)需使用較為昂貴的飛秒鎖模激光器。
進(jìn)而,能將超快電子顯微鏡技術(shù)用于材料結(jié)構(gòu)、超快動(dòng)力學(xué)、光-物質(zhì)相互作用的超高時(shí)空分辨率成像。
其三,用于片上介電激光電子加速器。
集成光學(xué)微腔具有較高的、以及能夠達(dá)到 GHz-THz 的自由光譜范圍。
利用精確設(shè)計(jì)的微腔結(jié)構(gòu),以及借助腔內(nèi)光孤子對(duì)于自由電子的調(diào)控,可以實(shí)現(xiàn)小尺寸、高重復(fù)頻率的微型電子加速器。
從而有望用于那些無(wú)需超高電子能量、但是需要具備緊湊結(jié)構(gòu)的醫(yī)療儀器、工業(yè)設(shè)備和科學(xué)裝置等。
(來(lái)源:Science)
曾催生兩項(xiàng)諾獎(jiǎng)的電子顯微鏡
據(jù)介紹,自由電子——在近代科學(xué)與技術(shù)中具有廣泛而深遠(yuǎn)的應(yīng)用。
這些應(yīng)用包括電子顯微鏡、粒子加速器、自由電子激光、微波產(chǎn)生與放大、以及真空電子管等。
特別是對(duì)于電子顯微鏡來(lái)說(shuō),由于自由電子超短的德布羅意波長(zhǎng)、及其與物質(zhì)的強(qiáng)相互作用,讓電子顯微鏡可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)超高空間分辨率的成像、衍射與能譜技術(shù)。
目前,電子顯微鏡已被廣泛用于材料科學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)等領(lǐng)域。
相關(guān)學(xué)者也先后憑借透射電子顯微鏡成果獲得 1986 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)、以及憑借冷凍電子顯微鏡成果獲得 2017 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。
近年來(lái),通過(guò)在電子顯微鏡中引入的納米光學(xué)結(jié)構(gòu),人們實(shí)現(xiàn)了自由電子與光子的相互作用。
并基于此實(shí)現(xiàn)了一系列新成果,包括超快電子顯微鏡、量子相干的自由電子調(diào)控、阿秒電子脈沖、片上電子加速器、以及新型自由電子光源等。
然而,對(duì)于光學(xué)材料和光學(xué)結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性光學(xué)特性在自由電子-光子中的相互作用,鮮少得到探索。
那么,楊宇嘉是如何踏入這一研究領(lǐng)域的?這得從他的讀書(shū)時(shí)代說(shuō)起。
其本科畢業(yè)于浙江大學(xué),碩士和博士則畢業(yè)于美國(guó)麻省理工學(xué)院。讀博期間主要研究納米光學(xué)、超快光學(xué)、自由電子物理和量子物理。
在研究自由電子與納米光學(xué)結(jié)構(gòu)的相互作用時(shí),他意識(shí)到相比品質(zhì)因子較低的納米光學(xué)天線(xiàn),高品質(zhì)因子的集成光學(xué)微腔有望大幅增強(qiáng)自由電子和光子的相互作用。
因此在考慮博士后的研究課題時(shí),楊宇嘉聯(lián)系了集成光學(xué)微腔領(lǐng)域的知名學(xué)者、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的托比亞斯·J·基本伯格(Tobias J. Kippenberg)教授。
在此之后,楊宇嘉也獲得了歐盟“瑪麗居里學(xué)者”的項(xiàng)目資助。
(來(lái)源:Science)
攜帶裝滿(mǎn)儀器的行李箱,乘坐火車(chē)往返德國(guó)和瑞士
當(dāng)時(shí),Kippenberg 教授正好在和德國(guó)馬克斯普朗克研究所的克勞斯·羅珀斯(Claus Ropers)教授開(kāi)展合作課題。
于是 Kippenberg 教授邀請(qǐng)楊宇嘉加入自己的課題組做博士后研究。
2021 年,楊宇嘉所在的 Kippenberg 課題組、聯(lián)合 Ropers 課題組,共同開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
通過(guò)此,他們將透射電子顯微鏡與集成光學(xué)芯片相結(jié)合,使用高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔展示了低功率光波對(duì)于自由電子波函數(shù)的較強(qiáng)的相位調(diào)控[1],相關(guān)論文發(fā)表于 Nature。
2022 年,他們使用類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、以及單電子與單光子探測(cè),展示了自由電子在集成光學(xué)微腔中所產(chǎn)生的電子-光子對(duì)[2],相關(guān)論文發(fā)表于 Science。
然而,在上述研究之中,他們僅僅使用了集成光學(xué)芯片和光學(xué)微腔的線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng),并未使用光學(xué)微腔的非線(xiàn)性光學(xué)特性。
對(duì)于楊宇嘉所在團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō),他們的絕大多數(shù)研究都是圍繞非線(xiàn)性集成光學(xué)開(kāi)展。
因此,在針對(duì)自由電子-光子相互作用的研究中,他們也想探索集成光學(xué)芯片的非線(xiàn)性光學(xué)響應(yīng)對(duì)于自由電子束的調(diào)控,從而填補(bǔ)領(lǐng)域內(nèi)的空白。
在本次研究之中,楊宇嘉先是來(lái)到德國(guó)合作者的課題組里開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。
但是,他發(fā)現(xiàn)光學(xué)微腔的品質(zhì)因子在電子顯微鏡中會(huì)降低,導(dǎo)致只能產(chǎn)生多孤子態(tài)而非單孤子態(tài),即微腔中只有一個(gè)光孤子脈沖。
回到瑞士之后,楊宇嘉等人又重新準(zhǔn)備了一批品質(zhì)因子更高的集成光學(xué)微腔芯片,并決定用單邊帶調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)激光頻率的快速掃描,以便更容易地獲得單孤子態(tài)。
2022 年 4 月,楊宇嘉和同事阿爾斯蘭·拉賈(Arslan S. Raja),再次從瑞士來(lái)到德國(guó) Ropers 教授課題組,首次在電子顯微鏡中生成了單孤子態(tài)。
這次實(shí)驗(yàn)的成功讓大家都非常興奮。然而,在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中,Kippenberg 教授指出在實(shí)驗(yàn)中使用光放大器增強(qiáng)激光功率時(shí)沒(méi)有過(guò)濾掉自發(fā)輻射噪聲。
盡管這個(gè)小問(wèn)題并不會(huì)影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)的正確性和科學(xué)性,但是會(huì)影響對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀。
2022 年 7 月,楊宇嘉等人再一次來(lái)到德國(guó),重復(fù)了前一次的實(shí)驗(yàn)工作,并恰當(dāng)?shù)剡^(guò)濾掉了自發(fā)輻射噪聲,最終完成了全部的數(shù)據(jù)采集工作。
“為了跨國(guó)完成合作實(shí)驗(yàn),我和同事 Arslan 多次攜帶裝滿(mǎn)實(shí)驗(yàn)儀器的兩個(gè)大行李箱,乘坐 7-10 小時(shí)(經(jīng)常延誤)的火車(chē)往返德國(guó)哥廷根和瑞士洛桑?!睏钣罴伪硎?。
隨后,楊宇嘉先后完成了本次研究的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析,并使用理論仿真方法,重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和解釋了背后機(jī)制。
最終,相關(guān)論文以《微諧振器中自由電子與非線(xiàn)性光態(tài)的相互作用》(Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators)為題發(fā)在 Science[3]。
楊宇嘉、阿爾斯蘭·拉賈(Arslan S. Raja)、簡(jiǎn)-威爾克·亨克(Jan-Wilke Henke)、F. 賈斯敏·卡佩特(F. Jasmin Kappert)是共同一作。
楊宇嘉、以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院托比亞斯·J·基本伯格(Tobias J. Kippenberg)教授和德國(guó)馬克斯普朗克研究所克勞斯·羅珀斯(Claus Ropers)教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文(來(lái)源:Science)
同期 Science 也發(fā)表了荷蘭原子和分子物理學(xué)研究所阿爾伯特·波爾曼(Albert Polman)教授、與西班牙光子科學(xué)研究所哈維爾·加西亞·德阿巴霍(F. Javier Garcia de Abajo)教授共同撰寫(xiě)的觀(guān)點(diǎn)文章[4],點(diǎn)贊稱(chēng)這是一項(xiàng)結(jié)合了自由電子和非線(xiàn)性光學(xué)的顛覆式創(chuàng)新。
下一步,楊宇嘉等人將針對(duì)其他非線(xiàn)性集成光學(xué)器件和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行自由電子探測(cè),比如探測(cè)片上激光器、光放大器、暗孤子和超連續(xù)光譜等。
與此同時(shí),他也希望在完成博后研究之后,能回到國(guó)內(nèi)建立一間能夠達(dá)到世界領(lǐng)先水平的、探索電子顯微鏡和光子學(xué)芯片的交叉研究型實(shí)驗(yàn)室。
新聞來(lái)源:DeepTech深科技
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