bởi Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
Một bộ cộng hưởng vòng. Tín dụng: Yujia Yan (EPFL)
Các nhà khoa học ở Thụy Sĩ và Đức đã đạt được hiệu quả điều chế chùm tia điện tử bằng cách sử dụng quang tử tích hợp — các mạch dẫn ánh sáng trên chip. Các thí nghiệm có thể dẫn đến các sơ đồ đo lượng tử hoàn toàn mới trong kính hiển vi điện tử.
Các điện tử truyền qua kính hiển vi cấu trúc phân tử (TEM) có thể ảnh ở quy mô nguyên tử bằng cách sử dụng các electron thay vì ánh sáng , và đã cách mạng khoa học vật liệu và cấu trúc sinh học. Trong thập kỷ qua, người ta đã quan tâm nhiều đến việc kết hợp kính hiển vi điện tử với kích thích quang học, chẳng hạn, cố gắng điều khiển và điều khiển chùm điện tử bằng ánh sáng. Nhưng một thách thức lớn là sự tương tác khá yếu của các electron lan truyền với các photon.
Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã chứng minh thành công khả năng điều chế chùm tia điện tử cực kỳ hiệu quả bằng cách sử dụng các vi phẫu thuật quang tử tích hợp. Nghiên cứu được dẫn đầu bởi Giáo sư Tobias J. Kippenberg tại EPFL và Giáo sư Claus Ropers tại Viện Hóa lý Sinh Max Planck và Đại học Göttingen, và được công bố trên tạp chí Nature .
Hai phòng thí nghiệm đã hình thành một sự hợp tác độc đáo, tham gia vào các lĩnh vực thường không liên kết của kính hiển vi điện tử và quang tử tích hợp. Các mạch tích hợp quang tử có thể dẫn ánh sáng trên chip với mức suy hao cực thấp và tăng cường trường quang học bằng cách sử dụng bộ cộng hưởng vòng vi mô. Trong các thí nghiệm do nhóm Ropers thực hiện, một chùm điện tử được hướng qua trường gần quang học của một mạch quang tử, để cho phép các điện tử tương tác với ánh sáng tăng cường. Sau đó, các nhà nghiên cứu thăm dò sự tương tác bằng cách đo năng lượng của các electron đã hấp thụ hoặc phát ra hàng chục đến hàng trăm năng lượng photon. Các chip quang tử được chế tạo bởi nhóm của Kippenberg, được chế tạo theo cách sao cho tốc độ ánh sáng trong các bộ cộng hưởng vòng vi mô khớp chính xác với tốc độ của các electron,
Kỹ thuật này cho phép điều biến mạnh chùm tia điện tử, chỉ với vài mili-Watts từ tia laser sóng liên tục - mức công suất được tạo ra bởi một con trỏ laser thông thường. Cách tiếp cận này tạo nên sự đơn giản hóa đáng kể và tăng hiệu quả trong việc điều khiển quang học của chùm điện tử, có thể được thực hiện liền mạch trong kính hiển vi điện tử truyền qua thông thường và có thể làm cho sơ đồ này được áp dụng rộng rãi hơn nhiều.
"Các mạch quang tử tích hợp dựa trên silicon nitrua mất mát thấp đã đạt được tiến bộ to lớn và đang thúc đẩy sự tiến bộ của nhiều công nghệ mới nổi và khoa học cơ bản như LiDAR, viễn thông và điện toán lượng tử , và hiện đang chứng minh là một thành phần mới cho thao tác chùm tia điện tử ", Kippenberg nói.
Thiết lập thí nghiệm, cho thấy một kính hiển vi điện tử truyền qua và chất siêu nhỏ silicon nitride được sử dụng để chứng minh tương tác electron-photon. Tín dụng: Murat Sivis
Ropers cho biết thêm: "Kính hiển vi điện tử giao thoa với quang tử có tiềm năng tạo cầu nối duy nhất giữa hình ảnh quy mô nguyên tử với quang phổ kết hợp. Đối với tương lai, chúng tôi hy vọng điều này sẽ mang lại sự hiểu biết và kiểm soát chưa từng có về các kích thích quang học vi mô."
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch mở rộng hơn nữa sự hợp tác của họ theo hướng các dạng mới của quang học lượng tử và phép đo attosec giây cho các điện tử tự do.
Các mẫu silicon nitride được phát triển tại Trung tâm Công nghệ MicroNanoTechnology (CMi) tại EPFL. Các thí nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm kính hiển vi điện tử truyền cực nhanh (UTEM) của Göttingen.