Integrierte Photonik trifft auf Elektronenmikroskopie

Das Transmissionselektronenmikroskop (TEM) kann molekulare Strukturen auf atomarer Ebene abbilden, indem es Elektronen anstelle von Licht verwendet, und hat die Materialwissenschaft und die Strukturbiologie revolutioniert. In den letzten zehn Jahren gab es viel Interesse an der Kombination von Elektronenmikroskopie mit optischen Anregungen, z. B. dem Versuch, den Elektronenstrahl mit Licht zu steuern und zu manipulieren. Eine grosse Herausforderung war jedoch die eher schwache Wechselwirkung von sich ausbreitenden Elektronen mit Photonen.

In einer neuen Studie ist es Forschenden gelungen, eine äusserst effiziente Modulation des Elektronenstrahls durch integrierte photonische Mikroresonatoren zu demonstrieren. Die Studie wurde von Professor Tobias J. Kippenberg an der EPFL und von Professor Claus Ropers am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie und der Universität Göttingen geleitet und in Nature veröffentlicht.

Die beiden Labors sind eine unkonventionelle Zusammenarbeit eingegangen, die die normalerweise nicht miteinander verbundenen Bereiche der Elektronenmikroskopie und der integrierten Photonik miteinander verbindet. Integrierte photonische Schaltkreise können Licht auf einem Chip mit extrem geringen Verlusten leiten und optische Felder mit Hilfe von Mikroringresonatoren verstärken. Bei den von Ropers' Gruppe durchgeführten Experimenten wurde ein Elektronenstrahl durch das optische Nahfeld eines photonischen Schaltkreises gelenkt, damit die Elektronen mit dem verstärkten Licht wechselwirken konnten. Die Forschenden untersuchten dann die Wechselwirkung, indem sie die Energie der Elektronen massen, die Dutzende bis Hunderte von Photonenenergien absorbiert oder emittiert hatten. Die photonischen Chips wurden von Kippenbergs Gruppe so konstruiert, dass die Lichtgeschwindigkeit in den Mikroringresonatoren genau der Geschwindigkeit der Elektronen entsprach, wodurch die Elektron-Photonen-Wechselwirkung drastisch erhöht wurde.

Der Versuchsaufbau mit einem Transmissionselektronenmikroskop und einem Siliziumnitrid-Mikroresonator, der zur Demonstration der Elektron-Photonen-Wechselwirkung verwendet wird. Bildrechte: Murat Sivis

Die Technik ermöglicht eine starke Modulation des Elektronenstrahls mit nur wenigen Milliwatt eines Dauerstrichlasers – eine Leistung, die von einem herkömmlichen Laserpointer erzeugt wird. Der Ansatz stellt eine drastische Vereinfachung und Effizienzsteigerung bei der optischen Kontrolle von Elektronenstrahlen dar, die nahtlos in ein normales Transmissionselektronenmikroskop implementiert werden kann, und könnte das System viel breiter einsetzbar machen.

«Integrierte Photonik-Schaltkreise auf der Basis von verlustarmem Siliziumnitrid haben enorme Fortschritte gemacht und treiben den Fortschritt vieler neuer Technologien und grundlegender Wissenschaften wie LiDAR, Telekommunikation und Quantencomputer intensiv voran und erweisen sich nun als neue Zutat für die Elektronenstrahlmanipulation», sagt Kippenberg.

«Die Verbindung von Elektronenmikroskopie und Photonik hat das Potenzial, auf einzigartige Weise eine Brücke zwischen der Bildgebung auf atomarer Ebene und der kohärenten Spektroskopie zu schlagen», fügt Ropers hinzu. «Für die Zukunft erwarten wir, dass dies zu einem noch nie dagewesenen Verständnis und einer Kontrolle mikroskopischer optischer Anregungen führen wird.»

Die Forschenden planen, ihre Zusammenarbeit in Richtung neuer Formen der Quantenoptik und der Attosekunden-Metrologie für freie Elektronen weiter auszubauen.