Quando la luce attraversa un materiale, spesso si comporta in modi imprevedibili. Questo fenomeno è oggetto di un intero campo di studio chiamato "ottica non lineare", che ora è parte integrante dei progressi tecnologici e scientifici dallo sviluppo del laser e dalla metrologia della frequenza ottica, all'astronomia delle onde gravitazionali e alla scienza dell'informazione quantistica.
Inoltre, negli ultimi anni l'ottica non lineare è stata applicata all'elaborazione del segnale ottico, alle telecomunicazioni, al rilevamento, alla spettroscopia, al rilevamento della luce e alla misurazione della distanza. Tutte queste applicazioni implicano la miniaturizzazione di dispositivi che manipolano la luce in modi non lineari su un piccolo chip, consentendo complesse interazioni di luce su scala di chip.
Ora, un team di scienziati dell’EPFL e del Max Planck Institute ha portato i fenomeni ottici non lineari in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM), un tipo di microscopio che utilizza gli elettroni per l’imaging invece della luce. Lo studio è stato condotto dal professor Tobias J. Kippenberg dell'EPFL e dal professor Claus Ropers, direttore dell'Istituto Max Planck per le scienze multidisciplinari. Ora è pubblicato su Science .
Al centro dello studio ci sono i “solitoni di Kerr”, onde di luce che mantengono la loro forma ed energia mentre si muovono attraverso un materiale, come un’onda di surf perfettamente formata che viaggia attraverso l’oceano. Questo studio ha utilizzato un particolare tipo di solitoni di Kerr chiamati "dissipativi", che sono impulsi di luce stabili e localizzati che durano decine di femtosecondi (un quadrilionesimo di secondo) e si formano spontaneamente nel microrisonatore. I solitoni dissipativi di Kerr possono anche interagire con gli elettroni, il che li ha resi cruciali per questo studio.
I ricercatori hanno formato solitoni dissipativi di Kerr all’interno di un microrisonatore fotonico, un minuscolo chip che intrappola e fa circolare la luce all’interno di una cavità riflettente, creando le condizioni perfette per queste onde. "Abbiamo generato vari modelli di luce spaziotemporali non lineari nel microrisonatore guidato da un laser a onda continua", spiega il ricercatore dell'EPFL Yujia Yang, che ha guidato lo studio. "Questi schemi di luce interagivano con un raggio di elettroni che passava accanto al chip fotonico e lasciavano impronte nello spettro elettronico."
Nello specifico, l'approccio ha dimostrato l'accoppiamento tra elettroni liberi e solitoni dissipativi di Kerr, che ha permesso ai ricercatori di sondare la dinamica dei solitoni nella cavità del microrisonatore ed eseguire una modulazione ultraveloce dei fasci di elettroni.
"La nostra capacità di generare solitoni dissipativi di Kerr [DKS] in un TEM estende l'uso di pettini di frequenza a base di microrisonatore a territori inesplorati", afferma Kippenberg. "L'interazione elettrone-DKS potrebbe consentire la microscopia elettronica ultraveloce ad alto tasso di ripetizione e acceleratori di particelle potenziati da un piccolo chip fotonico."
Ropers aggiunge:“I nostri risultati mostrano che la microscopia elettronica potrebbe essere una tecnica potente per sondare la dinamica ottica non lineare su scala nanometrica. Questa tecnica non è invasiva ed è in grado di accedere direttamente al campo intracavità, fondamentale per comprendere la fisica ottica non lineare e sviluppare dispositivi fotonici non lineari. "
I chip fotonici sono stati fabbricati nel Centro di MicroNanoTechnology (CMi) e nella camera bianca dell'Istituto di fisica dell'EPFL. Gli esperimenti sono stati condotti presso il laboratorio di microscopia elettronica a trasmissione ultraveloce (UTEM) di Göttingen.
Ulteriori informazioni: Yujia Yang et al, Interazione degli elettroni liberi con stati ottici non lineari nei microrisonatori, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adk2489. www.science.org/doi/10.1126/science.adk2489
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