Usando sólitons de Kerr para aumentar o poder dos microscópios eletrônicos de transmissão
Chip fotônico utilizado neste estudo, montado em porta-amostras de microscópio eletrônico de transmissão e embalado com fibras ópticas. Crédito:Yang et al. DOI:10.1126/science.adk2489 Quando a luz atravessa um material, muitas vezes ela se comporta de maneira imprevisível. Este fenômeno é objeto de todo um campo de estudo chamado "óptica não linear", que agora é parte integrante dos avanços tecnológicos e científicos, desde o desenvolvimento do laser e da metrologia de frequência óptica até a astronomia de ondas gravitacionais e a ciência da informação quântica.
Além disso, nos últimos anos, a óptica não linear foi aplicada no processamento de sinais ópticos, telecomunicações, detecção, espectroscopia, detecção de luz e alcance. Todas essas aplicações envolvem a miniaturização de dispositivos que manipulam a luz de maneira não linear em um pequeno chip, permitindo interações complexas de luz em escala de chip.
Agora, uma equipe de cientistas da EPFL e do Instituto Max Planck trouxe fenômenos ópticos não lineares para um microscópio eletrônico de transmissão (TEM), um tipo de microscópio que usa elétrons para imagens em vez de luz. O estudo foi liderado pelo professor Tobias J. Kippenberg da EPFL e pelo professor Claus Ropers, diretor do Instituto Max Planck de Ciências Multidisciplinares. Agora está publicado na Science .
No centro do estudo estão os "sólitons de Kerr", ondas de luz que mantêm a sua forma e energia à medida que se movem através de um material, como uma onda de surf perfeitamente formada viajando através do oceano. Este estudo usou um tipo particular de sólitons de Kerr chamados "dissipativos", que são pulsos de luz localizados e estáveis que duram dezenas de femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo) e se formam espontaneamente no microrressonador. Os sólitons dissipativos de Kerr também podem interagir com os elétrons, o que os tornou cruciais para este estudo.
Os pesquisadores formaram sólitons dissipativos de Kerr dentro de um microressonador fotônico, um minúsculo chip que retém e faz circular a luz dentro de uma cavidade reflexiva, criando as condições perfeitas para essas ondas. “Geramos vários padrões de luz espaço-temporais não lineares no microrressonador conduzido por um laser de onda contínua”, explica o pesquisador da EPFL Yujia Yang, que liderou o estudo. “Esses padrões de luz interagiram com um feixe de elétrons que passava pelo chip fotônico e deixaram impressões digitais no espectro de elétrons”.
Especificamente, a abordagem demonstrou o acoplamento entre elétrons livres e sólitons de Kerr dissipativos, o que permitiu aos pesquisadores sondar a dinâmica dos solitons na cavidade do microrressonador e realizar modulação ultrarrápida de feixes de elétrons.
Esquema do experimento. Padrões de luz espaço-temporais não lineares em um microrressonador fotônico baseado em chip modulam o espectro de um feixe de elétrons livres em um microscópio eletrônico de transmissão. Crédito:Yang et al. DOI:10.1126/science.adk2489
"Nossa capacidade de gerar sólitons Kerr dissipativos [DKS] em um TEM estende o uso de pentes de frequência baseados em microrressonadores para territórios inexplorados", diz Kippenberg. "A interação elétron-DKS poderia permitir microscopia eletrônica ultrarrápida com alta taxa de repetição e aceleradores de partículas alimentados por um pequeno chip fotônico."
Ropers acrescenta:"Nossos resultados mostram que a microscopia eletrônica pode ser uma técnica poderosa para sondar a dinâmica óptica não linear em nanoescala. Esta técnica é não invasiva e capaz de acessar diretamente o campo intracavitário, chave para a compreensão da física óptica não linear e o desenvolvimento de dispositivos fotônicos não lineares. "
Os chips fotônicos foram fabricados no Centro de MicroNanoTecnologia (CMi) e na sala limpa do Instituto de Física da EPFL. Os experimentos foram conduzidos no Laboratório de Microscopia Eletrônica de Transmissão Ultrarrápida de Göttingen (UTEM).
