撰稿 | Blair，西湖大學

指導 | Yujia Yang，瑞士洛桑聯邦理工學院（論文作者）

近年來，電子顯微鏡的發展使自由電子束成為激光量子操縱的重要工具，在該系統中可以實現自由電子量子行走、阿秒電子脈沖和全息電磁成像等全新的物理效應。與此同時，集成光子技術的發展催生了如原子、囚禁離子、量子點和缺陷中心等多種量子系統中的超強光-物質相互作用。

通過將集成光子學與電子顯微鏡相結合，有望將集成光子學的優勢與電子顯微鏡的長處融合，實現新型光與物質相互作用機理機制，從而在量子調控、量子傳感方面產生獨特的應用前景。

近日，來自德國哥廷根大學、馬普所和瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員在 Nature 上以 Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation 為題發表重要進展文章，報道了該研究團隊通過創新性地將集成光子學與電子顯微鏡相結合，利用片上集成的毫瓦級氮化硅光學微腔實現了對連續電子束的相干相位調制，為光子與電子相互作用提供了全新的思路和途徑。

更重要的是，這種集成光子微腔所使用的光源功率只有毫瓦級，與常見的激光筆功率相當。該設備所需的低光功率，連續波激光，加上其集成設計，使其易于適用于許多現有的常規電子顯微鏡，而不必涉及復雜且昂貴的超快激光和超快電子顯微鏡系統。

圖 1：瑞士和德國的科學家利用集成光子學實現了高效的電子束調制（圖源：EPFL）

透射電子顯微鏡（TEM）可以用電子而不是光在原子尺度上成像分子結構，從而徹底改變了材料科學和結構生物學。因此，透射電子顯微鏡和相關的冷凍電鏡技術分別在 1986 年和 2017 年榮膺諾貝爾獎。在過去的十年里，人們對將電子顯微鏡與光激發相結合產生了很多興趣，例如，試圖通過光來控制和操縱電子束。但是由于自由電子與光子之間相互作用很弱，所以光對電子的影響和調制作用很弱。

電鏡中自由電子的波長比可見光光子的波長短約 10 萬倍，這意味著使用電子照亮樣品的顯微鏡能夠分辨出比使用光的顯微鏡小得多的結構。但是電子和光子也可以一起工作：與光子的相互作用可以用來調節電子的波動性質，改變電子束的能譜，這有助于揭示光-自由電子相互作用的基本原理，探索最近提出的“自由電子量子光學”，并可用于開發利用量子特性的電子顯微鏡。然而，這些電子-光子相互作用很弱，通常需要高功率激光源。

來自德國哥廷根大學和瑞士 EPFL 的這兩個實驗室通過跨學科的交叉合作，將電子顯微鏡和集成光子學這兩個通常并不相關的領域結合起來，利用光子集成電路的超低損耗和微環諧振器的光場增強，極大提高了自由電子和光的相互作用強度。

在德國哥廷根大學進行的實驗中，電子束被引導通過光學微腔的光學近場，使得電子與增強的光相互作用。然后，研究人員通過測量吸收或發射數十到數百光子能量的電子的能量來探索這種相互作用。集成光子芯片由 EPFL 的研究團隊研制，其設計方式使得光學微腔中的光速與電子的速度完全相同（即相位匹配），從而進一步增加了電子-光子相互作用。

圖 2：集成光學微腔調控自由電子的實驗示意圖及其基于腔量子電動力學（cQED）的原理示意（圖源：Nature 600, 653–658 (2021)）

這項技術能夠對電子束進行強大的調制，而使用的連續波激光器的功率只有幾毫瓦。這一功率和普通激光筆產生的功率級相當。該方法大大簡化了電子束的光學控制，提高了效率，可以在常規透射電子顯微鏡中無縫實現，從而使該方案具有更廣泛的適用性。

領導這項研究的 EPFL 教授 Tobias Kippenberg 表示：“基于低損耗氮化硅的集成光子學電路已經取得了巨大的進步，并正在有力地推動許多新興技術和基礎科學的進步，如激光雷達、通信和量子計算，現在已被證明是電子束操縱的一個新組成部分。”

共同領導這項研究的哥廷根大學教授 Claus Ropers 也指出：“將電子顯微鏡與光子學相結合，有可能將原子級成像與相干光譜學相結合。在未來，這將對微觀光激發產生前所未有的理解和控制。”

研究人員正計劃進一步擴大他們在新形式量子光學和自由電子阿秒計量方面的合作。

如圖 3 所示，本文中，研究人員設計了一種由低功率激光器、集成波導和環形光學微腔組成的裝置。環形光學微腔是一種環形光學微結構，可在特定的“共振”頻率放大腔內的光場。藍色箭頭表示光波的方向；紅色箭頭表示電子波的方向。腔體內部的共振模式與腔體表面的電子束相互作用，以光學頻率調制電子波的相位（在任何時間點完成的波形分數）和能量。波導的設計目的是使諧振模式的相速度與電子的速度相匹配。

圖 3：用于調制電子束的集成光子學平臺（圖源：Nature 600, 610-611 (2021)）

當電子在與光場相互作用并在自由空間運動一定距離后，最初連續的電子束可形成一系列持續時間小于一飛秒的脈沖（1 飛秒為 10?1? 秒）。成像電子能譜儀則可以檢測到包含一系列離散邊帶的電子能譜，其中相鄰兩個邊帶的能量差恰巧為一個光子能量，對應電子對離散光子的吸收或發射。高品質因子（Q? ≈ 10?）的腔增強和為相位匹配設計的波導可以在極低的連續波光功率下實現高效的電子-光散射。

具體來說，研究人員在僅 5.35 微瓦的腔耦合功率下可以完全耗盡電子的初始能量態（zero-loss peak， ZLP，即電子能譜上的零損失峰），并在數毫瓦的情況下產生 >500 個電子能量邊帶。

此外，研究人員在電子能量增益能譜中以微電子伏分辨率探測了腔內單向光場，其能量分辨率比常規的電子能譜提升了多個數量級。文中所用光學芯片通過光纖耦合連接了激光和光探測器，實現了單模電子-光相互作用，并可以完全控制輸入和輸出光。

總而言之，本文介紹的方法建立了一個通用且高效的框架，可用于在電子束激光相位板、光束調制器、連續波阿秒脈沖序列、共振增強能譜和介質激光加速器的背景下增強電子束控制。這項研究工作實現了一個探索自由電子量子光學的通用平臺，在強耦合、局域量子探測和電子-光子糾纏方面具有廣闊的應用前景。

論文信息

Henke, JW., Raja, A.S., Feist, A. et al. Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation. Nature 600, 653–658 (2021). 

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04197-5

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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