Nature | 集成光子技术赋能电子显微镜

撰稿 | Blair，西湖大学

指导 | Yujia Yang，瑞士洛桑联邦理工学院（论文作者）

近年来，电子显微镜的发展使自由电子束成为激光量子操纵的重要工具，在该系统中可以实现自由电子量子行走、阿秒电子脉冲和全息电磁成像等全新的物理效应。与此同时，集成光子技术的发展催生了如原子、囚禁离子、量子点和缺陷中心等多种量子系统中的超强光-物质相互作用。

通过将集成光子学与电子显微镜相结合，有望将集成光子学的优势与电子显微镜的长处融合，实现新型光与物质相互作用机理机制，从而在量子调控、量子传感方面产生独特的应用前景。

近日，来自德国哥廷根大学、马普所和瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员在 Nature 上以 Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation 为题发表重要进展文章，报道了该研究团队通过创新性地将集成光子学与电子显微镜相结合，利用片上集成的毫瓦级氮化硅光学微腔实现了对连续电子束的相干相位调制，为光子与电子相互作用提供了全新的思路和途径。

更重要的是，这种集成光子微腔所使用的光源功率只有毫瓦级，与常见的激光笔功率相当。该设备所需的低光功率，连续波激光，加上其集成设计，使其易于适用于许多现有的常规电子显微镜，而不必涉及复杂且昂贵的超快激光和超快电子显微镜系统。

图 1：瑞士和德国的科学家利用集成光子学实现了高效的电子束调制（图源：EPFL）

透射电子显微镜（TEM）可以用电子而不是光在原子尺度上成像分子结构，从而彻底改变了材料科学和结构生物学。因此，透射电子显微镜和相关的冷冻电镜技术分别在 1986 年和 2017 年荣膺诺贝尔奖。在过去的十年里，人们对将电子显微镜与光激发相结合产生了很多兴趣，例如，试图通过光来控制和操纵电子束。但是由于自由电子与光子之间相互作用很弱，所以光对电子的影响和调制作用很弱。

电镜中自由电子的波长比可见光光子的波长短约 10 万倍，这意味着使用电子照亮样品的显微镜能够分辨出比使用光的显微镜小得多的结构。但是电子和光子也可以一起工作：与光子的相互作用可以用来调节电子的波动性质，改变电子束的能谱，这有助于揭示光-自由电子相互作用的基本原理，探索最近提出的“自由电子量子光学”，并可用于开发利用量子特性的电子显微镜。然而，这些电子-光子相互作用很弱，通常需要高功率激光源。

来自德国哥廷根大学和瑞士 EPFL 的这两个实验室通过跨学科的交叉合作，将电子显微镜和集成光子学这两个通常并不相关的领域结合起来，利用光子集成电路的超低损耗和微环谐振器的光场增强，极大提高了自由电子和光的相互作用强度。

在德国哥廷根大学进行的实验中，电子束被引导通过光学微腔的光学近场，使得电子与增强的光相互作用。然后，研究人员通过测量吸收或发射数十到数百光子能量的电子的能量来探索这种相互作用。集成光子芯片由 EPFL 的研究团队研制，其设计方式使得光学微腔中的光速与电子的速度完全相同（即相位匹配），从而进一步增加了电子-光子相互作用。

图 2：集成光学微腔调控自由电子的实验示意图及其基于腔量子电动力学（cQED）的原理示意（图源：Nature 600, 653–658 (2021)）

这项技术能够对电子束进行强大的调制，而使用的连续波激光器的功率只有几毫瓦。这一功率和普通激光笔产生的功率级相当。该方法大大简化了电子束的光学控制，提高了效率，可以在常规透射电子显微镜中无缝实现，从而使该方案具有更广泛的适用性。

领导这项研究的 EPFL 教授 Tobias Kippenberg 表示：“基于低损耗氮化硅的集成光子学电路已经取得了巨大的进步，并正在有力地推动许多新兴技术和基础科学的进步，如激光雷达、通信和量子计算，现在已被证明是电子束操纵的一个新组成部分。”

共同领导这项研究的哥廷根大学教授 Claus Ropers 也指出：“将电子显微镜与光子学相结合，有可能将原子级成像与相干光谱学相结合。在未来，这将对微观光激发产生前所未有的理解和控制。”

研究人员正计划进一步扩大他们在新形式量子光学和自由电子阿秒计量方面的合作。

如图 3 所示，本文中，研究人员设计了一种由低功率激光器、集成波导和环形光学微腔组成的装置。环形光学微腔是一种环形光学微结构，可在特定的“共振”频率放大腔内的光场。蓝色箭头表示光波的方向；红色箭头表示电子波的方向。腔体内部的共振模式与腔体表面的电子束相互作用，以光学频率调制电子波的相位（在任何时间点完成的波形分数）和能量。波导的设计目的是使谐振模式的相速度与电子的速度相匹配。

图 3：用于调制电子束的集成光子学平台（图源：Nature 600, 610-611 (2021)）

当电子在与光场相互作用并在自由空间运动一定距离后，最初连续的电子束可形成一系列持续时间小于一飞秒的脉冲（1 飞秒为 10⁻¹⁵ 秒）。成像电子能谱仪则可以检测到包含一系列离散边带的电子能谱，其中相邻两个边带的能量差恰巧为一个光子能量，对应电子对离散光子的吸收或发射。高品质因子（Q₀ ≈ 10⁶）的腔增强和为相位匹配设计的波导可以在极低的连续波光功率下实现高效的电子-光散射。

具体来说，研究人员在仅 5.35 微瓦的腔耦合功率下可以完全耗尽电子的初始能量态（zero-loss peak， ZLP，即电子能谱上的零损失峰），并在数毫瓦的情况下产生 >500 个电子能量边带。

此外，研究人员在电子能量增益能谱中以微电子伏分辨率探测了腔内单向光场，其能量分辨率比常规的电子能谱提升了多个数量级。文中所用光学芯片通过光纤耦合连接了激光和光探测器，实现了单模电子-光相互作用，并可以完全控制输入和输出光。

总而言之，本文介绍的方法建立了一个通用且高效的框架，可用于在电子束激光相位板、光束调制器、连续波阿秒脉冲序列、共振增强能谱和介质激光加速器的背景下增强电子束控制。这项研究工作实现了一个探索自由电子量子光学的通用平台，在强耦合、局域量子探测和电子-光子纠缠方面具有广阔的应用前景。

论文信息

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

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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