Un résonateur en anneau. Crédit : Yujia Yan (EPFL)
Le microscope électronique à transmission (MET) peut imager des structures moléculaires à l’échelle atomique en utilisant des électrons au lieu de la lumière, et a révolutionné la science des matériaux et la biologie structurelle. La dernière décennie a vu beaucoup d’intérêt pour combiner la microscopie électronique avec des excitations optiques, en essayant, par exemple, de contrôler et de manipuler le faisceau d’électrons par la lumière. Mais un défi majeur a été l’interaction plutôt faible des électrons se propageant avec les photons.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont démontré avec succès une modulation de faisceau d’électrons extrêmement efficace à l’aide de microrésonateurs photoniques intégrés. L’étude a été dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg à l’EPFL et par le professeur Claus Ropers à l’Institut Max Planck de chimie biophysique et à l’Université de Göttingen, et est publiée dans La nature.
Les deux laboratoires ont formé une collaboration non conventionnelle, rejoignant les domaines habituellement non connectés de la microscopie électronique et de la photonique intégrée. Les circuits intégrés photoniques peuvent guider la lumière sur une puce avec des pertes ultra-faibles et améliorer les champs optiques à l’aide de résonateurs à micro-anneaux. Dans les expériences menées par le groupe de Ropers, un faisceau d’électrons a été dirigé à travers le champ optique proche d’un circuit photonique, pour permettre aux électrons d’interagir avec la lumière améliorée. Les chercheurs ont ensuite sondé l’interaction en mesurant l’énergie des électrons qui avaient absorbé ou émis des dizaines à des centaines d’énergies de photons. Les puces photoniques ont été conçues par le groupe de Kippenberg, construites de manière à ce que la vitesse de la lumière dans les résonateurs à micro-anneau corresponde exactement à la vitesse des électrons, augmentant considérablement l’interaction électron-photon.
Le montage expérimental, montrant un microscope électronique à transmission et un microrésonateur en nitrure de silicium utilisé pour démontrer l’interaction électron-photon. Crédit : Murat Sivis
La technique permet une forte modulation du faisceau d’électrons, avec seulement quelques milliwatts d’un laser à onde continue – un niveau de puissance généré par un pointeur laser commun. L’approche constitue une simplification spectaculaire et une augmentation de l’efficacité du contrôle optique des faisceaux d’électrons, qui peut être mise en œuvre de manière transparente dans un microscope électronique à transmission ordinaire, et pourrait rendre le schéma beaucoup plus largement applicable.
« Les circuits photoniques intégrés basés sur le nitrure de silicium à faible perte ont fait d’énormes progrès et stimulent intensément les progrès de nombreuses technologies émergentes et de la science fondamentale telles que le LiDAR, les télécommunications et l’informatique quantique, et s’avère maintenant être un nouvel ingrédient pour la manipulation des faisceaux d’électrons », explique Kippenberg.
« L’interfaçage de la microscopie électronique avec la photonique a le potentiel de relier de manière unique l’imagerie à l’échelle atomique à la spectroscopie cohérente », ajoute Ropers. “Pour l’avenir, nous nous attendons à ce que cela donne une compréhension et un contrôle sans précédent des excitations optiques microscopiques.”
Les chercheurs prévoient d’étendre encore leur collaboration vers de nouvelles formes d’optique quantique et de métrologie attoseconde pour les électrons libres.
Référence : « La photonique intégrée permet la modulation de phase électronique à faisceau continu » par Jan-Wilke Henke, Arslan Sajid Raja, Armin Feist, Guanhao Huang, Germaine Arend, Yujia Yang, F. Jasmin Kappert, Rui Ning Wang, Marcel Möller, Jiahe Pan, Junqiu Liu, Ofer Kfir, Claus Ropers et Tobias J. Kippenberg, 22 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04197-5
Les échantillons de nitrure de silicium ont été développés au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l’EPFL. Les expériences ont été menées au laboratoire de microscopie électronique à transmission ultrarapide (UTEM) de Göttingen.