本研究中使用的光子芯片，安装在透射电子显微镜样品架上，用光纤封装。来源:Yang等人。DOI: 10.1126/science.adk2489当光穿过一种材料时，它的行为往往是不可预测的。这种现象是一个叫做“非线性光学”的研究领域的主题，从激光发展和光学频率计量，到引力波天文学和量子信息科学，它现在是技术和科学进步的一部分。此外，近年来非线性光学在光信号处理、电信、传感、光谱学、光探测和测距等领域也得到了应用。所有这些应用都涉及到以非线性方式在小芯片上操纵光的设备的小型化，从而在芯片规模上实现复杂的光相互作用。现在，EPFL和Max Plank研究所的一组科学家将非线性光学现象带入了透射电子显微镜(TEM)，这是一种使用电子而不是光进行成像的显微镜。这项研究由EPFL的Tobias J. Kippenberg教授和马克斯普朗克多学科科学研究所所长Claus Ropers教授领导。它现在发表在《科学》杂志上。这项研究的核心是“克尔孤子”，这是一种光波，当它们穿过某种物质时，会保持它们的形状和能量，就像一个完美形成的冲浪波穿过海洋一样。这项研究使用了一种特殊类型的克尔孤子，称为“耗散”，它是稳定的、局部的光脉冲，持续几十飞秒(千万亿分之一秒)，并在微谐振器中自发形成。耗散克尔孤子也可以与电子相互作用，这使得它们对这项研究至关重要。

研究人员在一个光子微谐振器内形成了耗散克尔孤子，这是一个微小的芯片，可以在反射腔内捕获和循环光，为这些波创造了完美的条件。“我们在连续波激光驱动的微谐振器中产生了各种非线性时空光模式，”领导这项研究的EPFL研究员Yujia Yang解释说。“这些光模式与经过光子芯片的电子束相互作用，并在电子光谱中留下指纹。”

具体来说，该方法展示了自由电子和耗散克尔孤子之间的耦合，这使得研究人员能够探测微谐振腔中的孤子动力学，并对电子束进行超快调制。

实验示意图。基于光子芯片的微谐振腔中的非线性时空光模式调制了透射电子显微镜中自由电子束的光谱。来源:Yang等人。DOI: 10.1126/science.adk2489Kippenberg说:“我们在TEM中产生耗散克尔孤子(DKS)的能力将微谐振器基频梳的使用扩展到未开发的领域。”“电子- dks相互作用可以实现高重复率的超快电子显微镜和由小型光子芯片驱动的粒子加速器。”

罗珀斯补充说:“我们的研究结果表明，电子显微镜可能是一种强大的技术，可以在纳米尺度上探测非线性光学动力学。该技术是非侵入性的，能够直接进入腔内场，是理解非线性光学物理和开发非线性光子器件的关键。"

该光子芯片是在EPFL的微纳米技术中心(CMi)和物理研究所的洁净室中制造的。实验在Göttingen超快透射电镜(UTEM)实验室进行。