对付自己的 Science 一作论文，浙江大学本科校友、美国麻省理工学院博士毕业生、瑞士洛桑联邦理工学院博士后杨宇嘉表示。
图 | 杨宇嘉（来源：杨宇嘉）
研究中，他们将片上集成的高品质因子氮化硅光学微腔置入透射电子显微镜中。
利用光学微腔的三阶非线性相应，产生了一系列非线性光学态，包括耗散克尔孤子、图灵斑图、混沌调制不稳定性等。
对付这些光学态来说，它们对应着微腔内光场的不同模式的时空调制，在频率上能够形成相关或非相关的微腔光频梳。
通过研究自由电子与这些非线性光学态的相互浸染，杨宇嘉等人探测到了这些光学态在自由电子能谱中留下的特色性的“指纹”。
特殊是耗散克尔孤子，它能在微腔中形成脉冲韶光在 100fs 以下、重复频率在 100GHz 以上的光孤子。
同时，在本次事情之中，他和所在团队也研究了这种光孤子对付自由电子束的超快调控。
（来源：Science）
估量本次成果将实现三方面的运用：
其一，针对非线性光学动力学、尤其是非线性集成光学，可以开拓基于自由电子的探测表征技能。
这不仅能为传统的光子学丈量方法带来有效补充，并能展示超高的空间分辨率、与片上或微腔内光场的直接浸染、以及及非侵入式丈量等独特上风。
其二，在常规电子显微镜的技能根本之上，开拓超快电子显微镜技能。
本次事情之中，杨宇嘉和所在课题组通过利用集成光学微腔中的飞秒光孤子脉冲，实现了超快的光-电子相互浸染。
基于此，有望在常规电子显微镜的根本之上，开拓超快电子显微镜技能。
估量这种技能将能利用连续的电子束、连续的激光、以及集成光学芯片，无需利用较为昂贵的飞秒锁模激光器。
进而，能将超快电子显微镜技能用于材料构造、超快动力学、光-物质相互浸染的超高时空分辨率成像。
其三，用于片上介电激光电子加速器。
集成光学微腔具有较高的、以及能够达到 GHz-THz 的自由光谱范围。
利用精确设计的微腔构造，以及借助腔内光孤子对付自由电子的调控，可以实现小尺寸、高重复频率的微型电子加速器。
从而有望用于那些无需超高电子能量、但是须要具备紧凑构造的医疗仪器、工业设备和科学装置等。
（来源：Science）
曾催生两项诺奖的电子显微镜
据先容，自由电子——在近代科学与技能中具有广泛而深远的运用。
这些运用包括电子显微镜、粒子加速器、自由电子激光、微波产生与放大、以及真空电子管等。
特殊是对付电子显微镜来说，由于自由电子超短的德布罗意波长、及其与物质的强相互浸染，让电子显微镜可以实现原子级超高空间分辨率的成像、衍射与能谱技能。
目前，电子显微镜已被广泛用于材料科学与构造生物学等领域。
干系学者也先后凭借透射电子显微镜成果得到 1986 年诺贝尔物理学奖、以及凭借冷冻电子显微镜成果得到 2017 年诺贝尔化学奖。
近年来，通过在电子显微镜中引入的纳米光学构造，人们实现了自由电子与光子的相互浸染。
并基于此实现了一系列新成果，包括超快电子显微镜、量子相关的自由电子调控、阿秒电子脉冲、片上电子加速器、以及新型自由电子光源等。
然而，对付光学材料和光学构造的非线性光学特性在自由电子-光子中的相互浸染，鲜少得到探索。
那么，杨宇嘉是如何踏入这一研究领域的？这得从他的读书时期提及。
其本科毕业于浙江大学，硕士和博士则毕业于美国麻省理工学院。读博期间紧张研究纳米光学、超快光学、自由电子物理和量子物理。
在研究自由电子与纳米光学构造的相互浸染时，他意识到比较品质因子较低的纳米光学天线，高品质因子的集成光学微腔有望大幅增强自由电子和光子的相互浸染。
因此在考虑博士后的研究课题时，杨宇嘉联系了集成光学微腔领域的有名学者、瑞士洛桑联邦理工学院的托比亚斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）教授。
在此之后，杨宇嘉也得到了欧盟“玛丽居里学者”的项目帮助。
（来源：Science）
携带装满仪器的行李箱，乘坐火车来回德国和瑞士
当时，Kippenberg 教授恰好在和德国马克斯普朗克研究所的克劳斯·罗珀斯（Claus Ropers）教授开展互助课题。
于是 Kippenberg 教授约请杨宇嘉加入自己的课题组做博士后研究。
2021 年，杨宇嘉所在的 Kippenberg 课题组、联合 Ropers 课题组，共同开拓了一项新的实验平台。
通过此，他们将透射电子显微镜与集成光学芯片相结合，利用高品质因子的光学微腔展示了低功率光波对付自由电子波函数的较强的相位调控[1]，干系论文揭橥于 Nature。
2022 年，他们利用类似的实验平台、以及单电子与单光子探测，展示了自由电子在集成光学微腔中所产生的电子-光子对[2]，干系论文揭橥于 Science。
然而，在上述研究之中，他们仅仅利用了集成光学芯片和光学微腔的线性光学相应，并未利用光学微腔的非线性光学特性。
对付杨宇嘉所在团队来说，他们的绝大多数研究都是环绕非线性集成光学开展。
因此，在针对自由电子-光子相互浸染的研究中，他们也想探索集成光学芯片的非线性光学相应对付自由电子束的调控，从而补充领域内的空缺。
在本次研究之中，杨宇嘉先是来到德国互助者的课题组里开展实验。
但是，他创造光学微腔的品质因子在电子显微镜中会降落，导致只能产生多孤子态而非单孤子态，即微腔中只有一个光孤子脉冲。
回到瑞士之后，杨宇嘉等人又重新准备了一批品质因子更高的集成光学微腔芯片，并决定用单边带调制的方法实现激光频率的快速扫描，以便更随意马虎地得到单孤子态。
2022 年 4 月，杨宇嘉和同事阿尔斯兰·拉贾（Arslan S. Raja），再次从瑞士来到德国 Ropers 教授课题组，首次在电子显微镜中天生了单孤子态。
这次实验的成功让大家都非常愉快。然而，在后续的数据剖析中，Kippenberg 教授指出在实验中利用光放大器增强激光功率时没有过滤掉自发辐射噪声。
只管这个小问题并不会影响全体实验的精确性和科学性，但是会影响对付实验结果的解读。
2022 年 7 月，杨宇嘉等人再一次来到德国，重复了前一次的实验事情，并恰当地过滤掉了自发辐射噪声，终极完成了全部的数据采集事情。
“为了跨国完成互助实验，我和同事 Arslan 多次携带装满实验仪器的两个大行李箱，乘坐 7-10 小时（常常耽误）的火车来回德国哥廷根和瑞士洛桑。”杨宇嘉表示。
随后，杨宇嘉先后完成了本次研究的数据处理和数据剖析，并利用理论仿真方法，重现了实验结果和解释了背后机制。
终极，干系论文以《微谐振器中自由电子与非线性光态的相互浸染》（Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators）为题发在 Science[3]。
杨宇嘉、阿尔斯兰·拉贾（Arslan S. Raja）、简-威尔克·亨克（Jan-Wilke Henke）、F. 贾斯敏·卡佩特（F. Jasmin Kappert）是共同一作。
杨宇嘉、以及瑞士洛桑联邦理工学院托比亚斯·J·基本伯格（Tobias J. Kippenberg）教授和德国马克斯普朗克研究所克劳斯·罗珀斯（Claus Ropers）教授担当共同通讯作者。
图 | 干系论文（来源：Science）
同期 Science 也揭橥了荷兰原子和分子物理学研究所阿尔伯特·波尔曼（Albert Polman）教授、与西班牙光子科学研究所哈维尔·加西亚·德阿巴霍（F. Javier Garcia de Abajo）教授共同撰写的不雅观点文章[4]，点赞称这是一项结合了自由电子和非线性光学的颠覆式创新。
下一步，杨宇嘉等人将针对其他非线性集成光学器件和动力学进行自由电子探测，比如探测片上激光器、光放大器、暗孤子和超连续光谱等。
与此同时，他也希望在完成博后研究之后，能回到海内建立一间能够达到天下领先水平的、探索电子显微镜和光子学芯片的交叉研究型实验室。
参考资料：
1. Henke, J.-W. et al. Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation. Nature 600, 653–658 (2021).
2. Feist, A. et al. Cavity-mediated electron-photon pairs. Science 377, 777–780 (2022).
3. Yang, Y. et al. Free-electron interaction with nonlinear optical states in microresonators. Science 383, 168–173 (2024).
4. Polman, A. & García de Abajo, F. J. Electrons catch light pulses on the fly. Science 383, 148–149 (2024).
排版：刘雅坤
