Le contrôle précis des faisceaux d’électrons dans les microscopes électroniques à transmission (TEM) permet d’analyser des matériaux ou des molécules au niveau atomique. Combinés à de courtes impulsions lumineuses, ces appareils peuvent également être utilisés pour analyser des processus dynamiques. Des chercheurs de Göttingen et de Suisse ont montré pour la première fois comment les électrons peuvent distinguer des états lumineux complexes dans un stockage microscopique de lumière dans un TEM.
Comment pouvons-nous utiliser la lumière pour stocker des informations ? Ou l’utiliser pour transmettre des données à une vitesse fulgurante ? Le domaine de recherche de la photonique traite de ces questions et de bien d’autres encore. La photonique intégrée moderne permet, par exemple, de guider ou de manipuler la lumière dans des canaux sur une puce électronique. Des procédés optiques dits non linéaires peuvent également être utilisés, dans lesquels de nouvelles couleurs ou des impulsions lumineuses extrêmement courtes sont créées pour des intensités lumineuses très élevées. Ces technologies sont déjà utilisées dans les télécommunications, pour les mesures optiques de distance et de vitesse, ainsi qu’en informatique quantique.
Récemment, de nouvelles interfaces entre la photonique et d’autres domaines de recherche, comme la microscopie électronique, sont apparues de plus en plus. Par exemple, les puces optiques ont récemment réussi à influencer les faisceaux d’électrons. À leur tour, les électrons peuvent être utilisés pour mesurer les champs lumineux. Lorsqu’un électron traverse un champ lumineux intense, il est accéléré ou décéléré en fonction de son heure d’arrivée et de l’intensité du champ. Les scientifiques peuvent alors tirer des conclusions directes sur les propriétés de la lumière à partir de la vitesse modifiée de l’électron.
Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science, une équipe dirigée par Claus Ropers de l’Institut Max Planck (MPI) pour les sciences multidisciplinaires de Göttingen et Tobias Kippenberg de l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) a étudié divers processus optiques non linéaires utilisant un faisceau d’électrons. Pour ce faire, ils ont placé un dispositif de stockage de lumière en forme d’anneau, appelé microrésonateur, dans un TEM et ont généré de la lumière avec différentes formes d’onde. Sur la base de l’interaction caractéristique avec le faisceau d’électrons, ils ont ensuite pu analyser en détail les différents états de la lumière.
«Si nous positionnons le faisceau d’électrons de manière à ce que les électrons passent devant les résonateurs, nous pouvons mesurer l’influence exacte du champ lumineux sur l’énergie des électrons», explique Jan-Wilke Henke du MPI. Son collègue Jasmin Kappert ajoute : « Chacune des formes d’onde possibles de la lumière laisse une empreinte caractéristique dans le spectre électronique, ce qui nous permet de retracer la formation des différents états. » Les deux doctorants ont réalisé les expériences au Laboratoire de microscopie électronique à transmission ultrarapide du MPI à Göttingen. Les puces photoniques nécessaires ont été développées par l’équipe de Lausanne.
Cependant, les chercheurs n’ont pas seulement réussi à caractériser les champs lumineux en fonction de leur effet sur les électrons : « Dans nos expériences, nous avons également généré ce que l’on appelle des solitons – des impulsions lumineuses stables et ultracourtes durant moins d’un dixième de billionième de seconde », explique la physicienne Yujia Yang de l’EPFL. La possibilité de générer des solitons dans un TEM étend l’utilisation de l’optique non linéaire et des microrésonateurs à des domaines inexplorés, explique Tobias Kippenberg. « L’interaction entre électrons et solitons pourrait, entre autres, permettre une microscopie électronique ultrarapide avec un taux de répétition sans précédent. »
Claus Ropers, directeur de Max Planck, ajoute : « Nos résultats montrent que la microscopie électronique est parfaitement adaptée à l’étude de la dynamique optique non linéaire à l’échelle nanométrique. Nous supposons également que cette technologie aura de nombreuses autres applications à l’avenir, tant pour la manipulation spatiale que temporelle des faisceaux d’électrons.
Publication originale
Interaction électronique « libre » avec des états optiques non linéaires dans les microrésonateurs » ; Science, Volume 383
2024-01-17 07:58:26
1705469391
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