Uso de ‘solitones de Kerr’ para aumentar la potencia de los microscopios electrónicos de transmisión

Cuando la luz atraviesa la materia, a menudo se comporta de forma impredecible. Este fenómeno es objeto de un estudio completo llamado «Óptica no lineal», que ahora es parte integral de los avances tecnológicos y científicos, desde el desarrollo del láser y la medición de frecuencia óptica hasta la astronomía de ondas gravitacionales y la ciencia de la información cuántica.

Además, la óptica no lineal se ha aplicado en los últimos años en el procesamiento de señales ópticas, telecomunicaciones, detección, espectroscopia, detección de luz y medición de distancias. Todas estas aplicaciones implican la miniaturización de dispositivos que manipulan la luz de forma no lineal en un chip diminuto, lo que permite interacciones de luz complejas a escala del chip.

Ahora, un equipo de científicos de la EPFL y el Instituto Max Planck ha llevado los fenómenos ópticos no lineales al microscopio electrónico de transmisión (TEM), un tipo de microscopio que utiliza electrones para obtener imágenes en lugar de luz. Profesor Tobias J. en EPFL. Kippenberg y el profesor Klaus Ropers, director del Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias, dirigieron el estudio. ya esta publicado ciencia.

En el centro del estudio se encuentran los «solitones de Kerr», ondas de luz que mantienen su forma y energía a medida que se mueven a través de la materia, como una ola de surf completamente formada que viaja a través de un océano. El estudio utilizó un tipo específico de solitones de Kerr llamados «disipativos», que son pulsos de luz estables y localizados que duran decenas de femtosegundos (cuatrillones de segundos) y se forman espontáneamente en un microresonador. Los solitones disipativos de Kerr pueden interactuar con los electrones, lo cual es crucial para este estudio.

Los investigadores crearon solitones de Kerr disipativos en un microresonador fotónico, un pequeño chip que captura y hace circular la luz dentro de una cavidad reflectante, creando las condiciones perfectas para estas ondas. «Creamos varios patrones de luz espaciotemporales no lineales en un microresonador impulsado por un láser de onda continua», explica el investigador de la EPFL Yujia Yang, quien dirigió el estudio. «Estos patrones de luz interactúan con un haz de electrones que pasa a través del chip fotónico y dejan huellas digitales en el espectro de electrones».

En particular, el método demostró el acoplamiento entre electrones libres y solitones de Kerr en descomposición, lo que permitió a los investigadores sondear la dinámica de los solitones en la cavidad del microresonador y realizar una modulación ultrarrápida de haces de electrones.

«Nuestra capacidad para generar solitones de Kerr disipativos (DKS) en TEM extiende el uso de peines de frecuencia basados ​​en microresonadores a áreas inexploradas», dice Kippenberg. «La interacción electrón-DKS permite una microscopía electrónica ultrarrápida con una alta tasa de repetición y potentes aceleradores de partículas desde un pequeño chip fotónico».

Ropers añade: «Nuestros resultados muestran que la microscopía electrónica es una técnica poderosa para sondear la dinámica óptica no lineal a nanoescala. Esta técnica no es invasiva y puede acceder directamente al campo intracavidad, lo cual es clave para comprender la física óptica no lineal y desarrollar dispositivos fotónicos no lineales. «

Los chips fotónicos se fabricaron en el Centro de Micro Nanotecnología (CMi) y en la sala limpia del Instituto de Física de la EPFL. Los experimentos se realizaron en el laboratorio de microscopía electrónica de transmisión ultrarrápida (UTEM) de Göttingen.