“本次研究展示了自由電子與非線性光學的相互作用，在電子顯微鏡中生成了光孤子，并能實現對于電子束的超快門控，將微腔光頻梳的應用拓展到了自由電子調控這一全新領域。”

  對于自己的 Science 一作論文，浙江大學本科校友、美國麻省理工學院博士畢業生、瑞士洛桑聯邦理工學院博士后楊宇嘉表示。

圖 | 楊宇嘉（來源：楊宇嘉）

  研究中，他們將片上集成的高品質因子氮化硅光學微腔置入透射電子顯微鏡中。

  利用光學微腔的三階非線性響應，產生了一系列非線性光學態，包括耗散克爾孤子、圖靈斑圖、混沌調制不穩定性等。

  對于這些光學態來說，它們對應著微腔內光場的不同模式的時空調制，在頻率上能夠形成相干或非相干的微腔光頻梳。

  通過研究自由電子與這些非線性光學態的相互作用，楊宇嘉等人探測到了這些光學態在自由電子能譜中留下的特征性的“指紋”。

  特別是耗散克爾孤子，它能在微腔中形成脈沖時間在 100fs 以下、重復頻率在 100GHz 以上的光孤子。

  同時，在本次工作之中，他和所在團隊也研究了這種光孤子對于自由電子束的超快調控。

（來源：Science）

  預計本次成果將實現三方面的應用：

  其一，針對非線性光學動力學、尤其是非線性集成光學，可以開發基于自由電子的探測表征技術。

  這不僅能為傳統的光子學測量方法帶來有效補充，并能展示超高的空間分辨率、與片上或微腔內光場的直接作用、以及及非侵入式測量等獨特優勢。

  其二，在常規電子顯微鏡的技術基礎之上，開發超快電子顯微鏡技術。

  本次工作之中，楊宇嘉和所在課題組通過使用集成光學微腔中的飛秒光孤子脈沖，實現了超快的光-電子相互作用。

  基于此，有望在常規電子顯微鏡的基礎之上，開發超快電子顯微鏡技術。

  預計這種技術將能使用連續的電子束、連續的激光、以及集成光學芯片，無需使用較為昂貴的飛秒鎖模激光器。

  進而，能將超快電子顯微鏡技術用于材料結構、超快動力學、光-物質相互作用的超高時空分辨率成像。

  其三，用于片上介電激光電子加速器。

  集成光學微腔具有較高的、以及能夠達到 GHz-THz 的自由光譜范圍。

  利用精確設計的微腔結構，以及借助腔內光孤子對于自由電子的調控，可以實現小尺寸、高重復頻率的微型電子加速器。

  從而有望用于那些無需超高電子能量、但是需要具備緊湊結構的醫療儀器、工業設備和科學裝置等。

（來源：Science）

  曾催生兩項諾獎的電子顯微鏡

  據介紹，自由電子——在近代科學與技術中具有廣泛而深遠的應用。

  這些應用包括電子顯微鏡、粒子加速器、自由電子激光、微波產生與放大、以及真空電子管等。

  特別是對于電子顯微鏡來說，由于自由電子超短的德布羅意波長、及其與物質的強相互作用，讓電子顯微鏡可以實現原子級超高空間分辨率的成像、衍射與能譜技術。

  目前，電子顯微鏡已被廣泛用于材料科學與結構生物學等領域。

  相關學者也先后憑借透射電子顯微鏡成果獲得 1986 年諾貝爾物理學獎、以及憑借冷凍電子顯微鏡成果獲得 2017 年諾貝爾化學獎。

  近年來，通過在電子顯微鏡中引入的納米光學結構，人們實現了自由電子與光子的相互作用。

  并基于此實現了一系列新成果，包括超快電子顯微鏡、量子相干的自由電子調控、阿秒電子脈沖、片上電子加速器、以及新型自由電子光源等。

  然而，對于光學材料和光學結構的非線性光學特性在自由電子-光子中的相互作用，鮮少得到探索。

  那么，楊宇嘉是如何踏入這一研究領域的？這得從他的讀書時代說起。

  其本科畢業于浙江大學，碩士和博士則畢業于美國麻省理工學院。讀博期間主要研究納米光學、超快光學、自由電子物理和量子物理。

  在研究自由電子與納米光學結構的相互作用時，他意識到相比品質因子較低的納米光學天線，高品質因子的集成光學微腔有望大幅增強自由電子和光子的相互作用。

  因此在考慮博士后的研究課題時，楊宇嘉聯系了集成光學微腔領域的知名學者、瑞士洛桑聯邦理工學院的托比亞斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）教授。

  在此之后，楊宇嘉也獲得了歐盟“瑪麗居里學者”的項目資助。

（來源：Science）

  攜帶裝滿儀器的行李箱，乘坐火車往返德國和瑞士

  當時，Kippenberg 教授正好在和德國馬克斯普朗克研究所的克勞斯·羅珀斯（Claus Ropers）教授開展合作課題。

  于是 Kippenberg 教授邀請楊宇嘉加入自己的課題組做博士后研究。

  2021 年，楊宇嘉所在的 Kippenberg 課題組、聯合 Ropers 課題組，共同開發了一項新的實驗平臺。

  通過此，他們將透射電子顯微鏡與集成光學芯片相結合，使用高品質因子的光學微腔展示了低功率光波對于自由電子波函數的較強的相位調控[1]，相關論文發表于 Nature。

  2022 年，他們使用類似的實驗平臺、以及單電子與單光子探測，展示了自由電子在集成光學微腔中所產生的電子-光子對[2]，相關論文發表于 Science。

  然而，在上述研究之中，他們僅僅使用了集成光學芯片和光學微腔的線性光學響應，并未使用光學微腔的非線性光學特性。

  對于楊宇嘉所在團隊來說，他們的絕大多數研究都是圍繞非線性集成光學開展。

  因此，在針對自由電子-光子相互作用的研究中，他們也想探索集成光學芯片的非線性光學響應對于自由電子束的調控，從而填補領域內的空白。

  在本次研究之中，楊宇嘉先是來到德國合作者的課題組里開展實驗。

  但是，他發現光學微腔的品質因子在電子顯微鏡中會降低，導致只能產生多孤子態而非單孤子態，即微腔中只有一個光孤子脈沖。

  回到瑞士之后，楊宇嘉等人又重新準備了一批品質因子更高的集成光學微腔芯片，并決定用單邊帶調制的方法實現激光頻率的快速掃描，以便更容易地獲得單孤子態。

  2022 年 4 月，楊宇嘉和同事阿爾斯蘭·拉賈（Arslan S. Raja），再次從瑞士來到德國 Ropers 教授課題組，首次在電子顯微鏡中生成了單孤子態。

  這次實驗的成功讓大家都非常興奮。然而，在后續的數據分析中，Kippenberg 教授指出在實驗中使用光放大器增強激光功率時沒有過濾掉自發輻射噪聲。

  盡管這個小問題并不會影響整個實驗的正確性和科學性，但是會影響對于實驗結果的解讀。

  2022 年 7 月，楊宇嘉等人再一次來到德國，重復了前一次的實驗工作，并恰當地過濾掉了自發輻射噪聲，最終完成了全部的數據采集工作。

  “為了跨國完成合作實驗，我和同事 Arslan 多次攜帶裝滿實驗儀器的兩個大行李箱，乘坐 7-10 小時（經常延誤）的火車往返德國哥廷根和瑞士洛桑。”楊宇嘉表示。

  隨后，楊宇嘉先后完成了本次研究的數據處理和數據分析，并使用理論仿真方法，重現了實驗結果和解釋了背后機制。

  最終，相關論文以《微諧振器中自由電子與非線性光態的相互作用》（Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators）為題發在 Science[3]。

  楊宇嘉、阿爾斯蘭·拉賈（Arslan S. Raja）、簡-威爾克·亨克（Jan-Wilke Henke）、F. 賈斯敏·卡佩特（F. Jasmin Kappert）是共同一作。

  楊宇嘉、以及瑞士洛桑聯邦理工學院托比亞斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）教授和德國馬克斯普朗克研究所克勞斯·羅珀斯（Claus Ropers）教授擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

  同期 Science 也發表了荷蘭原子和分子物理學研究所阿爾伯特·波爾曼（Albert Polman）教授、與西班牙光子科學研究所哈維爾·加西亞·德阿巴霍（F. Javier Garcia de Abajo）教授共同撰寫的觀點文章[4]，點贊稱這是一項結合了自由電子和非線性光學的顛覆式創新。

  下一步，楊宇嘉等人將針對其他非線性集成光學器件和動力學進行自由電子探測，比如探測片上激光器、光放大器、暗孤子和超連續光譜等。

  與此同時，他也希望在完成博后研究之后，能回到國內建立一間能夠達到世界領先水平的、探索電子顯微鏡和光子學芯片的交叉研究型實驗室。