La combinazione di luce ed elettroni

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Rappresentazione artistica di un fascio di elettroni liberi che interagiscono co
Rappresentazione artistica di un fascio di elettroni liberi che interagiscono con un impulso ottico in un microresonatore ad anello. Credito: Ryan Allen / Second Bay Studios.
I ricercatori dell’EPFL e del Max Planck Institute hanno combinato l’ottica non lineare e la microscopia elettronica, aprendo nuove prospettive nello studio dei materiali e nel controllo dei fasci di elettroni.

Quando la luce attraversa un materiale, spesso si comporta in modo imprevedibile. Questo fenomeno è oggetto di un nuovo campo di studi chiamato "ottica non lineare". È ormai parte integrante del progresso tecnologico e scientifico, dallo sviluppo dei laser e della metrologia a frequenza ottica all’astronomia delle onde gravitazionali e alla scienza dell’informazione quantistica.

Inoltre, negli ultimi anni, l’ottica non lineare è stata utilizzata nell’elaborazione dei segnali ottici, nelle telecomunicazioni, nella rilevazione, nella spettroscopia, nel rilevamento della luce e nella telemetria. Tutte queste applicazioni comportano la miniaturizzazione di dispositivi che manipolano la luce in modo non lineare su un piccolo chip, consentendo complesse interazioni luminose su scala chip.

Un team di scienziati dell’EPFL e del Max Planck Institute ha recentemente introdotto fenomeni ottici non lineari in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM). Invece della luce, questo tipo di microscopio utilizza gli elettroni per l’imaging. Lo studio è stato condotto dal professor Tobias J. Kippenberg dell’EPFL e dal professor Claus Ropers, direttore del Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences. È stato pubblicato sulla rivista Science.


I "solitoni di Kerr" sono al centro di questo studio. Si tratta di onde luminose che mantengono la loro forma e la loro energia mentre attraversano un materiale, proprio come un’onda da surf perfetta che attraversa l’oceano. In questo studio abbiamo utilizzato un tipo particolare di solitone di Kerr, detto "dissipativo". Si tratta di impulsi di luce stabili e localizzati che durano decine di femtosecondi (un quadrilionesimo di secondo) e si formano spontaneamente nel microresonatore. I solitoni dissipativi di Kerr possono anche interagire con gli elettroni, da cui la loro importanza cruciale in questo studio.

I ricercatori hanno formato solitoni dissipativi di Kerr all’interno di un microresonatore fotonico, un minuscolo chip che intrappola e fa circolare la luce all’interno di una cavità riflettente, creando le condizioni perfette per queste onde. Abbiamo generato vari modelli di luce non lineari spazio-temporali nel micro-risonatore guidato da un laser a onda continua", spiega Yujia Yang, ricercatore dell’EPFL e leader dello studio. Questi schemi di luce hanno interagito con un fascio di elettroni che passava attraverso il chip fotonico e hanno lasciato impronte nello spettro degli elettroni".

In particolare, l’approccio ha dimostrato l’accoppiamento tra elettroni liberi e solitoni dissipativi di Kerr, consentendo ai ricercatori di sondare la dinamica dei solitoni nella cavità del microresonatore e di effettuare una modulazione ultra-rapida dei fasci di elettroni.


"La nostra capacità di generare solitoni dissipativi di Kerr (DKS) in un TEM estende il campo di utilizzo dei pettini di frequenza basati su microresonatori ad aree inesplorate", afferma Tobias J. Kippenberg. "L’interazione tra elettroni e DKS potrebbe consentire la microscopia elettronica ultraveloce ad alte velocità di ripetizione e la creazione di acceleratori di particelle utilizzando un piccolo chip fotonico".

Claus Ropers ha aggiunto: "I nostri risultati dimostrano che la microscopia elettronica potrebbe essere una tecnica efficace per sondare le dinamiche ottiche non lineari su scala nanometrica. Questa tecnica non invasiva fornisce un accesso diretto al campo intracavitario, che è fondamentale per la comprensione della fisica ottica non lineare e per lo sviluppo di dispositivi fotonici non lineari".

I chip fotonici sono stati prodotti presso il Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) e nella camera bianca dell’Istituto di Fisica dell’EPFL. Gli esperimenti sono stati condotti presso il Laboratorio di microscopia elettronica a trasmissione ultraveloce (UTEM) di Gottinga.

Altri collaboratori

Centro EPFL per la scienza e l’ingegneria quantistica

Riferimenti

Yujia Yang, Jan-Wilke Henke, Arslan S. Raja, F. Jasmin Kappert, Guanhao Huang, Germaine Arend, Zheru Qiu, Armin Feist, Rui Ning Wang, Aleksandr Tusnin, Alexey Tikan, Claus Ropers, Tobias J. Kippenberg. Interazione di elettroni liberi con stati ottici non lineari in microresonatori. Science, 12 gennaio 2024. adk2489