集成光子学与电子显微镜

　　环形谐振器。作者：Yujia Yan（EPFL）
　　瑞士和德国的科学家利用集成光子学电路在芯片上引导光，实现了高效的电子束调制。这些实验可能导致电子显微镜中全新的量子测量方案。
　　这个透射电子显微镜（TEM）可以用电子代替原子尺度上的分子结构光，并发生了革命性的变化材料科学结构生物学。在过去的十年里，人们对将电子显微镜和光激发结合起来，例如试图控制和操纵电子束光照。但是一个主要的挑战是传播中的电子与光子的弱相互作用。
　　在一项新的研究中，研究人员成功地证明了使用集成光子微谐振器的极为有效的电子束调制。这项研究由EPFL的Tobias J.Kippenberg教授和马克斯·普朗克生物物理化学研究所和哥廷根大学的克劳斯·罗普斯教授领导，发表于 自然 .
　　通常由两个非传统的电子显微学和非传统的实验室联合起来形成的。超光导和低损耗的集成光环可以增强芯片上的光损耗。在Ropers小组进行的实验中，电子束被引导穿过光子电路的光学近场，使电子与增强的光相互作用。然后，研究人员通过测量吸收或发射了数十到数百个光子能量的电子的能量来探测这种相互作用。这种光子芯片是由Kippenberg的小组设计的，它的建造方式使得微环谐振器中的光速与电子的速度完全匹配，从而大大增强了电子与光子之间的相互作用。
　　这项技术可以使电子束得到强烈的调制，而连续波激光器仅产生几毫瓦的功率——这是由普通激光指针产生的功率水平。该方法大大简化了电子束的光学控制，提高了效率，可在普通透射电子显微镜上无缝实现，使该方案具有更广泛的适用性。
　　＂以低损耗氮化硅为基础的集成光子学电路已经取得了巨大的进步，并正在有力地推动着许多新兴技术和基础科学的进步，如激光雷达、电信和量子计算，现在证明是电子的一种新成分梁＂操纵，＂Kippenberg说。
　　实验装置，显示了透射电子显微镜和氮化硅微谐振器用于演示电子-光子相互作用。图片来源：Murat Sivis
　　＂接口电子显微术＂光子学有可能独特地将原子尺度成像与相干光谱学联系起来，＂Ropers补充道对于未来，我们期望这将产生对微观光激发的前所未有的理解和控制。＂
　　研究人员计划进一步扩大他们在量子光学和自由电子阿秒计量的新形式的方向上的合作。
　　氮化硅样品是在EPFL的微米技术中心（CMi）开发的。实验在哥廷根超快透射电子显微镜（UTEM）实验室进行。