透射電子顯微鏡 (TEM) 可以通過(guò)使用電子代替光來(lái)在原子尺度上對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，并徹底改變了材料科學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)。在過(guò)去的十年里，人們對(duì)將電子顯微鏡與光學(xué)激發(fā)相結(jié)合產(chǎn)生了很多興趣，例如，試圖通過(guò)光控制和操縱電子束。但一個(gè)主要的挑戰(zhàn)是傳播電子與光子之間相當(dāng)弱的相互作用。
在一項(xiàng)新研究中，研究人員使用集成光子微諧振器成功證明了極其高效的電子束調(diào)制。該研究由 EPFL 的 Tobias J. Kippenberg 教授和馬克斯普朗克生物物理化學(xué)研究所和哥廷根大學(xué)的 Claus Ropers 教授領(lǐng)導(dǎo)，并發(fā)表在Nature 上。
這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室形成了一種非常規(guī)的合作，加入了通常互不相關(guān)的電子顯微鏡和集成光子學(xué)領(lǐng)域。光子集成電路可以在超低損耗的芯片上引導(dǎo)光，并使用微環(huán)諧振器增強(qiáng)光場(chǎng)。在 Ropers 小組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，電子束被引導(dǎo)通過(guò)光子電路的光學(xué)近場(chǎng)，以允許電子與增強(qiáng)光相互作用。然后，研究人員通過(guò)測(cè)量吸收或發(fā)射數(shù)十到數(shù)百個(gè)光子能量的電子的能量來(lái)探測(cè)這種相互作用。光子芯片是由 Kippenberg 的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的，其構(gòu)建方式使微環(huán)諧振器中的光速與電子速度完全匹配，從而大大增加了電子-光子相互作用。
該技術(shù)能夠?qū)﹄娮邮M(jìn)行強(qiáng)調(diào)制，而連續(xù)波激光器僅產(chǎn)生幾毫瓦功率——這是由普通激光指示器產(chǎn)生的功率水平。該方法極大地簡(jiǎn)化了電子束的光學(xué)控制并提高了效率，可以在常規(guī)透射電子顯微鏡中無(wú)縫實(shí)現(xiàn)，并使該方案具有更廣泛的適用性。
“基于低損耗氮化硅的集成光子電路取得了巨大的進(jìn)步，并正在集中推動(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)、電信和量子計(jì)算，現(xiàn)在被證明是電子束操縱的新成分，”基彭伯格說(shuō)。
“將電子顯微鏡與光子學(xué)連接起來(lái)有可能將原子尺度成像與相干光譜獨(dú)特地聯(lián)系起來(lái)，”Ropers 補(bǔ)充道。“對(duì)于未來(lái)，我們預(yù)計(jì)這將對(duì)微觀光學(xué)激發(fā)產(chǎn)生前所未有的理解和控制。”
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