本研究中使用的光子芯片，安装在透射电子显微镜样品架上，并用光纤封装。
当光穿过材料时，它通常以不可预测的方式表现。这种现象是被称为“非线性光学”的整个研究领域的主题，它现在是从激光开发和光学频率计量学到引力波天文学和量子信息科学的技术和科学进步不可或缺的一部分。
此外，近年来，非线性光学在光信号处理、电信、传感、光谱学、光探测和测距等领域得到了应用。所有这些应用都涉及以非线性方式将光操纵到小型芯片上的器件的小型化，从而在芯片尺度上实现复杂的光相互作用。
现在，洛桑联邦理工学院(EPFL)和马克斯·普朗克研究所(Max Plank Institute)的一组科学家将非线性光学现象带入透射电子显微镜(TEM)中，这是一种使用电子而不是光进行成像的显微镜。该研究由洛桑联邦理工学院的Tobias J. Kippenberg教授和马克斯普朗克多学科科学研究所所长Claus Ropers教授领导。它现在发表在《科学》杂志上。
这项研究的核心是“克尔孤子”，即光波在穿过材料时保持其形状和能量，就像完美形成的冲浪波在海洋中传播一样。这项研究使用了一种称为“耗散”的特殊类型的克尔孤子，它是稳定的局部光脉冲，持续数十飞秒(十万亿分之一秒)，并在微谐振器中自发形成。耗散克尔孤子也可以与电子相互作用，这使得它们对这项研究至关重要。
研究人员在光子微谐振器内形成了耗散克尔孤子，光子微谐振器是一种微小的芯片，可以在反射腔内捕获和循环光，为这些波创造完美的条件。“我们在由连续波激光驱动的微谐振器中产生了各种非线性时空光模式，”领导这项研究的EPFL研究员Yujia Yang解释说。“这些光模式与通过光子芯片的电子束相互作用，并在电子光谱中留下指纹。
具体来说，该方法证明了自由电子和耗散克尔孤子之间的耦合，这使得研究人员能够探测微谐振腔中的孤子动力学，并对电子束进行超快调制。
实验示意图。基于光子芯片的微谐振器中的非线性时空光模式在透射电子显微镜中调制自由电子束的光谱。
“我们在TEM中产生耗散克尔孤子[DKS]的能力将微谐振器基频梳的使用扩展到了未开发的领域，”Kippenberg说。“电子-DKS相互作用可以实现高重复率的超快电子显微镜和由小型光子芯片驱动的粒子加速器。
Ropers补充道：“我们的研究结果表明，电子显微镜可能是在纳米尺度上探测非线性光学动力学的强大技术。这种技术是非侵入性的，能够直接进入腔内场，这是理解非线性光学物理和开发非线性光子器件的关键。
光子芯片是在洛桑联邦理工学院的微纳米技术中心(CMi)和物理研究所的洁净室中制造的。这些实验在哥廷根超快透射电子显微镜(UTEM)实验室进行。
