Wetenschap
Kerr-solitonen gebruiken om de kracht van transmissie-elektronenmicroscopen te vergroten
Wanneer licht door een materiaal gaat, gedraagt het zich vaak op onvoorspelbare manieren. Dit fenomeen is het onderwerp van een heel onderzoeksgebied dat 'niet-lineaire optica' wordt genoemd en dat nu een integraal onderdeel is van de technologische en wetenschappelijke vooruitgang, van laserontwikkeling en optische frequentiemetrologie tot zwaartekrachtgolfastronomie en kwantuminformatiewetenschap.
Bovendien zijn er de afgelopen jaren niet-lineaire optica toegepast in optische signaalverwerking, telecommunicatie, detectie, spectroscopie, lichtdetectie en bereik. Al deze toepassingen omvatten de miniaturisatie van apparaten die licht op niet-lineaire manieren op een kleine chip manipuleren, waardoor complexe lichtinteracties op chipschaal mogelijk worden.
Nu heeft een team van wetenschappers van EPFL en het Max Planck Instituut niet-lineaire optische verschijnselen in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) gebracht, een type microscoop die elektronen gebruikt voor beeldvorming in plaats van licht. De studie werd geleid door professor Tobias J. Kippenberg van EPFL en professor Claus Ropers, directeur van het Max Planck Instituut voor Multidisciplinaire Wetenschappen. Het is nu gepubliceerd in Science .
De kern van het onderzoek wordt gevormd door 'Kerr-solitonen', golven van licht die hun vorm en energie behouden terwijl ze door materiaal bewegen, als een perfect gevormde brandingsgolf die over de oceaan reist. In deze studie werd gebruik gemaakt van een bepaald type Kerr-solitonen, 'dissipatief' genaamd, dit zijn stabiele, gelokaliseerde lichtpulsen die tientallen femtoseconden duren (een quadriljoenste van een seconde) en zich spontaan vormen in de microresonator. Dissipatieve Kerr-solitonen kunnen ook interageren met elektronen, waardoor ze cruciaal zijn voor dit onderzoek.
De onderzoekers vormden dissipatieve Kerr-solitonen in een fotonische microresonator, een kleine chip die licht opvangt en laat circuleren in een reflecterende holte, waardoor de perfecte omstandigheden voor deze golven worden gecreëerd. "We genereerden verschillende niet-lineaire spatiotemporele lichtpatronen in de microresonator, aangedreven door een continue golflaser", legt EPFL-onderzoeker Yujia Yang uit, die het onderzoek leidde. "Deze lichtpatronen hadden een wisselwerking met een elektronenbundel die langs de fotonische chip passeerde, en lieten vingerafdrukken achter in het elektronenspectrum."
Concreet demonstreerde de aanpak de koppeling tussen vrije elektronen en dissipatieve Kerr-solitonen, waardoor de onderzoekers de solitondynamiek in de microresonatorholte konden onderzoeken en ultrasnelle modulatie van elektronenbundels konden uitvoeren.
"Ons vermogen om dissipatieve Kerr-solitonen [DKS] in een TEM te genereren, breidt het gebruik van frequentiekammen op microresonatorbasis uit naar onontgonnen gebieden", zegt Kippenberg. "De elektron-DKS-interactie zou ultrasnelle elektronenmicroscopie met hoge herhalingssnelheid en deeltjesversnellers mogelijk kunnen maken, aangedreven door een kleine fotonische chip."
Ropers voegt hieraan toe:"Onze resultaten tonen aan dat elektronenmicroscopie een krachtige techniek kan zijn voor het onderzoeken van niet-lineaire optische dynamiek op nanoschaal. Deze techniek is niet-invasief en kan rechtstreeks toegang krijgen tot het intracavitaire veld, de sleutel tot het begrijpen van niet-lineaire optische fysica en het ontwikkelen van niet-lineaire fotonische apparaten. "
De fotonische chips zijn vervaardigd in het Center of MicroNanoTechnology (CMi) en de cleanroom van het Institute of Physics bij EPFL. De experimenten werden uitgevoerd in het Göttingen Ultrafast Transmission Electron Microscopy (UTEM) Lab.