瑞士洛桑聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology Lausanne，EPFL）的集成光子平臺可以協助量子光學和糾纏的研究。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由瑞士EPFL、德國馬克斯·普朗克生物物理化學研究所（Max Planck Institute for Biophysical Chemistry）和喬治-奧古斯特-哥廷根大學（Georg-August-Universit?t G?ttingen）組成的研究團隊在Nature期刊上發表了集成光子學方法實現連續電子束的相位調制的最新論文。該論文的研究工作介紹了一個探索自由電子量子光學的通用平臺，以及在強耦合、局域量子探測和電子-光子糾纏方面的潛在未來發展。
瑞士研究中心EPFL利用集成光子學方法有效地調制電子束，為自由電子量子光學的研究提供了一個新的平臺。
利用微環諧振器進行電子束調制（圖片來源：Alex Mehler/EPFL）
正如在Nature期刊上發表的論文描述的那樣，該方法還可以通過增強現有的光束控制方案，在電子顯微鏡中產生新的量子測量方案。
該項目是由EPFL和馬克斯·普朗克生物物理化學研究所之間合作研究的，他們將通常沒有聯系的電子顯微鏡和集成光子學領域結合起來。
來自EPFL的Tobias Kippenberg說：“基于低損耗氮化硅（Si3N4）的光子集成電路已經取得了巨大的進展，并且正在有力地推動如激光雷達（LiDAR）、遠程通信和量子計算等許多新興技術和基礎科學的進步。它們現在被證明是電子束操縱的一種新要素。”
該研究團隊在現有工作的基礎上，利用光子集成電路在芯片上以超低損耗引導光束，這是一種利用微環諧振器增強光場的方法。
以類似的方式調制電子束有助于解決近場電子顯微鏡的一個挑戰。理論計算表明，在一定條件下，光學相干性可以由電子介導，從而有可能將電子顯微鏡與相干光譜學結合起來。
迄今為止，這些理論僅限于超快狀態下的行為，但EPFL的研究項目使用電子顯微鏡和Si3N4光子集成電路，實現了連續波狀態下的高效電子-光子相互作用。
圖2 基于連續波光子芯片的自由電子束光學相位調制原理
原子尺度成像與光譜學的“橋梁”
該研究項目采用波導將激光引導到橫截面為2 μm × 650 nm的微環諧振器中。光子芯片被放置在定制的透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）裝置中，從而使電子束通過光子電路的光學近場。
這種光子芯片的設計，使在微環諧振器中傳播的光速與電子的速度完全匹配，從而大大增強了電子-光子相互作用。然后研究人員通過測量吸收或發射多光子能量的電子的能量來探測這些相互作用。
在試驗中，該平臺僅使用了幾毫瓦的連續波激光功率，就可提供連續電子束的相干相位調制。EPFL表示，這大大簡化了電子束的光學控制并提高了效率，而且這種方法可以在常規TEM中無縫實現。
同樣的技術也可以使電子-光子的相互作用比以前的理論限制更廣泛地適用，研究人員計劃將他們的研究合作擴展到新形式的量子光學和自由電子的阿秒（attosecond）計量學。
來自馬克斯·普朗克生物物理化學研究所的Claus Roper說：“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聯系起來。對于未來，我們期望這將對微觀光學激發產生前所未有的理解和控制。”
該研究項目獲得了空軍科學研究局（Air Force Office of Scientific Research）、瑞士國家科學基金會（Swiss National Science Foundation）、德國科學基金會（Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG）、Gottfried Wilhelm Leibniz 計劃、European Union Horizon 2020研究與創新計劃、馬克斯·普朗克協會的開放獲取基金等的資助。
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
延伸閱讀：
《激光雷達產業及核心元器件-2020版》
《新興圖像傳感器技術、應用及市場-2021版》
《飛行時間（ToF）傳感器技術及應用-2020版》
