浙大校友實(shí)現(xiàn)光芯片上超快光-電子相互作用 實(shí)現(xiàn)100GHz級高重頻電子束調(diào)控

  對于自己的 Science 一作論文，浙江大學(xué)本科校友、美國麻省理工學(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)微腔的三階非線性響應(yīng)，產(chǎn)生了一系列非線性光學(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。

  對于這些光學(xué)態(tài)來說，它們對應(yīng)著微腔內(nèi)光場的不同模式的時空調(diào)制，在頻率上能夠形成相干或非相干的微腔光頻梳。

  通過研究自由電子與這些非線性光學(xué)態(tài)的相互作用，楊宇嘉等人探測到了這些光學(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間在 100fs 以下、重復(fù)頻率在 100GHz 以上的光孤子。

  同時，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于自由電子束的超快調(diào)控。

（來源：Science）

  預(yù)計(jì)本次成果將實(shí)現(xiàn)三方面的應(yīng)用：

  其一，針對非線性光學(xué)動力學(xué)、尤其是非線性集成光學(xué)，可以開發(fā)基于自由電子的探測表征技術(shù)。

  這不僅能為傳統(tǒng)的光子學(xué)測量方法帶來有效補(bǔ)充，并能展示超高的空間分辨率、與片上或微腔內(nèi)光場的直接作用、以及及非侵入式測量等獨(dú)特優(yōu)勢。

  其二，在常規(guī)電子顯微鏡的技術(shù)基礎(chǔ)之上，開發(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)、超快動力學(xué)、光-物質(zhì)相互作用的超高時空分辨率成像。

  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。

（來源：Science）

  曾催生兩項(xiàng)諾獎的電子顯微鏡

  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。

  特別是對于電子顯微鏡來說，由于自由電子超短的德布羅意波長、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、以及憑借冷凍電子顯微鏡成果獲得 2017 年諾貝爾化學(xué)獎。

  近年來，通過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，對于光學(xué)材料和光學(xué)結(jié)構(gòu)的非線性光學(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？這得從他的讀書時代說起。

  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，他意識到相比品質(zhì)因子較低的納米光學(xué)天線，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，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。

（來源：Science）

  攜帶裝滿儀器的行李箱，乘坐火車往返德國和瑞士

  當(dāng)時，Kippenberg 教授正好在和德國馬克斯普朗克研究所的克勞斯·羅珀斯（Claus Ropers）教授開展合作課題。

  于是 Kippenberg 教授邀請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，共同開發(fā)了一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)平臺。

  通過此，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，他們使用類似的實(shí)驗(yàn)平臺、以及單電子與單光子探測，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[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)微腔的線性光學(xué)響應(yīng)，并未使用光學(xué)微腔的非線性光學(xué)特性。

  對于楊宇嘉所在團(tuán)隊(duì)來說，他們的絕大多數(shù)研究都是圍繞非線性集成光學(xué)開展。

  因此，在針對自由電子-光子相互作用的研究中，他們也想探索集成光學(xué)芯片的非線性光學(xué)響應(yīng)對于自由電子束的調(diào)控，從而填補(bǔ)領(lǐng)域內(nèi)的空白。

  在本次研究之中，楊宇嘉先是來到德國合作者的課題組里開展實(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），再次從瑞士來到德國 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)激光功率時沒有過濾掉自發(fā)輻射噪聲。

  盡管這個小問題并不會影響整個實(shí)驗(yàn)的正確性和科學(xué)性，但是會影響對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀。

  2022 年 7 月，楊宇嘉等人再一次來到德國，重復(fù)了前一次的實(shí)驗(yàn)工作，并恰當(dāng)?shù)剡^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。

  “為了跨國完成合作實(shí)驗(yàn)，我和同事 Arslan 多次攜帶裝滿實(shí)驗(yàn)儀器的兩個大行李箱，乘坐 7-10 小時（經(jīng)常延誤）的火車往返德國哥廷根和瑞士洛桑。”楊宇嘉表示。

  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-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）教授共同撰寫的觀點(diǎn)文章[4]，點(diǎn)贊稱這是一項(xiàng)結(jié)合了自由電子和非線性光學(xué)的顛覆式創(chuàng)新。

  下一步，楊宇嘉等人將針對其他非線性集成光學(xué)器件和動力學(xué)進(jìn)行自由電子探測，比如探測片上激光器、光放大器、暗孤子和超連續(xù)光譜等。

  與此同時，他也希望在完成博后研究之后，能回到國內(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。