撰稿 | Blair，西湖大學(xué)

指導(dǎo) | Yujia Yang，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（論文作者）

近年來，電子顯微鏡的發(fā)展使自由電子束成為激光量子操縱的重要工具，在該系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)自由電子量子行走、阿秒電子脈沖和全息電磁成像等全新的物理效應(yīng)。與此同時(shí)，集成光子技術(shù)的發(fā)展催生了如原子、囚禁離子、量子點(diǎn)和缺陷中心等多種量子系統(tǒng)中的超強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用。

通過將集成光子學(xué)與電子顯微鏡相結(jié)合，有望將集成光子學(xué)的優(yōu)勢(shì)與電子顯微鏡的長(zhǎng)處融合，實(shí)現(xiàn)新型光與物質(zhì)相互作用機(jī)理機(jī)制，從而在量子調(diào)控、量子傳感方面產(chǎn)生獨(dú)特的應(yīng)用前景。

近日，來自德國哥廷根大學(xué)、馬普所和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員在 Nature 上以 Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation 為題發(fā)表重要進(jìn)展文章，報(bào)道了該研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新性地將集成光子學(xué)與電子顯微鏡相結(jié)合，利用片上集成的毫瓦級(jí)氮化硅光學(xué)微腔實(shí)現(xiàn)了對(duì)連續(xù)電子束的相干相位調(diào)制，為光子與電子相互作用提供了全新的思路和途徑。

更重要的是，這種集成光子微腔所使用的光源功率只有毫瓦級(jí)，與常見的激光筆功率相當(dāng)。該設(shè)備所需的低光功率，連續(xù)波激光，加上其集成設(shè)計(jì)，使其易于適用于許多現(xiàn)有的常規(guī)電子顯微鏡，而不必涉及復(fù)雜且昂貴的超快激光和超快電子顯微鏡系統(tǒng)。

圖 1：瑞士和德國的科學(xué)家利用集成光子學(xué)實(shí)現(xiàn)了高效的電子束調(diào)制（圖源：EPFL）

透射電子顯微鏡（TEM）可以用電子而不是光在原子尺度上成像分子結(jié)構(gòu)，從而徹底改變了材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)。因此，透射電子顯微鏡和相關(guān)的冷凍電鏡技術(shù)分別在 1986 年和 2017 年榮膺諾貝爾獎(jiǎng)。在過去的十年里，人們對(duì)將電子顯微鏡與光激發(fā)相結(jié)合產(chǎn)生了很多興趣，例如，試圖通過光來控制和操縱電子束。但是由于自由電子與光子之間相互作用很弱，所以光對(duì)電子的影響和調(diào)制作用很弱。

電鏡中自由電子的波長(zhǎng)比可見光光子的波長(zhǎng)短約 10 萬倍，這意味著使用電子照亮樣品的顯微鏡能夠分辨出比使用光的顯微鏡小得多的結(jié)構(gòu)。但是電子和光子也可以一起工作：與光子的相互作用可以用來調(diào)節(jié)電子的波動(dòng)性質(zhì)，改變電子束的能譜，這有助于揭示光-自由電子相互作用的基本原理，探索最近提出的“自由電子量子光學(xué)”，并可用于開發(fā)利用量子特性的電子顯微鏡。然而，這些電子-光子相互作用很弱，通常需要高功率激光源。

來自德國哥廷根大學(xué)和瑞士 EPFL 的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室通過跨學(xué)科的交叉合作，將電子顯微鏡和集成光子學(xué)這兩個(gè)通常并不相關(guān)的領(lǐng)域結(jié)合起來，利用光子集成電路的超低損耗和微環(huán)諧振器的光場(chǎng)增強(qiáng)，極大提高了自由電子和光的相互作用強(qiáng)度。

在德國哥廷根大學(xué)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，電子束被引導(dǎo)通過光學(xué)微腔的光學(xué)近場(chǎng)，使得電子與增強(qiáng)的光相互作用。然后，研究人員通過測(cè)量吸收或發(fā)射數(shù)十到數(shù)百光子能量的電子的能量來探索這種相互作用。集成光子芯片由 EPFL 的研究團(tuán)隊(duì)研制，其設(shè)計(jì)方式使得光學(xué)微腔中的光速與電子的速度完全相同（即相位匹配），從而進(jìn)一步增加了電子-光子相互作用。

圖 2：集成光學(xué)微腔調(diào)控自由電子的實(shí)驗(yàn)示意圖及其基于腔量子電動(dòng)力學(xué)（cQED）的原理示意（圖源：Nature 600, 653–658 (2021)）

這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)﹄娮邮M(jìn)行強(qiáng)大的調(diào)制，而使用的連續(xù)波激光器的功率只有幾毫瓦。這一功率和普通激光筆產(chǎn)生的功率級(jí)相當(dāng)。該方法大大簡(jiǎn)化了電子束的光學(xué)控制，提高了效率，可以在常規(guī)透射電子顯微鏡中無縫實(shí)現(xiàn)，從而使該方案具有更廣泛的適用性。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的 EPFL 教授 Tobias Kippenberg 表示：“基于低損耗氮化硅的集成光子學(xué)電路已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，并正在有力地推動(dòng)許多新興技術(shù)和基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，如激光雷達(dá)、通信和量子計(jì)算，現(xiàn)在已被證明是電子束操縱的一個(gè)新組成部分。”

共同領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的哥廷根大學(xué)教授 Claus Ropers 也指出：“將電子顯微鏡與光子學(xué)相結(jié)合，有可能將原子級(jí)成像與相干光譜學(xué)相結(jié)合。在未來，這將對(duì)微觀光激發(fā)產(chǎn)生前所未有的理解和控制。”

研究人員正計(jì)劃進(jìn)一步擴(kuò)大他們?cè)谛滦问搅孔庸鈱W(xué)和自由電子阿秒計(jì)量方面的合作。

如圖 3 所示，本文中，研究人員設(shè)計(jì)了一種由低功率激光器、集成波導(dǎo)和環(huán)形光學(xué)微腔組成的裝置。環(huán)形光學(xué)微腔是一種環(huán)形光學(xué)微結(jié)構(gòu)，可在特定的“共振”頻率放大腔內(nèi)的光場(chǎng)。藍(lán)色箭頭表示光波的方向；紅色箭頭表示電子波的方向。腔體內(nèi)部的共振模式與腔體表面的電子束相互作用，以光學(xué)頻率調(diào)制電子波的相位（在任何時(shí)間點(diǎn)完成的波形分?jǐn)?shù)）和能量。波導(dǎo)的設(shè)計(jì)目的是使諧振模式的相速度與電子的速度相匹配。

圖 3：用于調(diào)制電子束的集成光子學(xué)平臺(tái)（圖源：Nature 600, 610-611 (2021)）

當(dāng)電子在與光場(chǎng)相互作用并在自由空間運(yùn)動(dòng)一定距離后，最初連續(xù)的電子束可形成一系列持續(xù)時(shí)間小于一飛秒的脈沖（1 飛秒為 10?1? 秒）。成像電子能譜儀則可以檢測(cè)到包含一系列離散邊帶的電子能譜，其中相鄰兩個(gè)邊帶的能量差恰巧為一個(gè)光子能量，對(duì)應(yīng)電子對(duì)離散光子的吸收或發(fā)射。高品質(zhì)因子（Q? ≈ 10?）的腔增強(qiáng)和為相位匹配設(shè)計(jì)的波導(dǎo)可以在極低的連續(xù)波光功率下實(shí)現(xiàn)高效的電子-光散射。

具體來說，研究人員在僅 5.35 微瓦的腔耦合功率下可以完全耗盡電子的初始能量態(tài)（zero-loss peak， ZLP，即電子能譜上的零損失峰），并在數(shù)毫瓦的情況下產(chǎn)生 >500 個(gè)電子能量邊帶。

此外，研究人員在電子能量增益能譜中以微電子伏分辨率探測(cè)了腔內(nèi)單向光場(chǎng)，其能量分辨率比常規(guī)的電子能譜提升了多個(gè)數(shù)量級(jí)。文中所用光學(xué)芯片通過光纖耦合連接了激光和光探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了單模電子-光相互作用，并可以完全控制輸入和輸出光。

總而言之，本文介紹的方法建立了一個(gè)通用且高效的框架，可用于在電子束激光相位板、光束調(diào)制器、連續(xù)波阿秒脈沖序列、共振增強(qiáng)能譜和介質(zhì)激光加速器的背景下增強(qiáng)電子束控制。這項(xiàng)研究工作實(shí)現(xiàn)了一個(gè)探索自由電子量子光學(xué)的通用平臺(tái)，在強(qiáng)耦合、局域量子探測(cè)和電子-光子糾纏方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

論文信息

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

監(jiān)制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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