Doğrusal olmayan optik dinamikler (yüksek yoğunluklu ışık kaynakları altında malzemelerle etkileşim üzerine ışığın yoğunluğa bağlı tepkisi) modern fotonikte büyük öneme sahiptir; lazerler, amplifikatörler, modülatörler ve sensörlerden kuantum optiği, doğrusal olmayan sistem dinamiği ve ışık-madde etkileşimlerini içeren konuların incelenmesine kadar çeşitli alanlarda uygulamalar bulur.
Son yıllarda, Kerr ve elektro-optik etkiler gibi doğrusal olmayan optik etkiler, mikrorezonatör bazlı optik frekans taraklarında veya “mikro taraklarda” kullanım alanı bulmuştur. Bu kompakt ve çip entegreli cihazlar, monokromatik bir lazer kaynağı kullanarak eşit mesafeli bir çizgi spektrumu üreterek frekans metrolojisi, sinyal işleme, optik bilgi işlem ve telekomünikasyon alanlarındaki ilerlemelerin önünü açıyor.
Başka yerlerde araştırmacılar, elektron mikroskobunda serbest elektronların ışıkla etkileşimlerinin anlaşılmasında önemli ilerlemeler kaydettiler. Elektronları ışıkla manipüle etme ve elektronlardan ışık üretme konusunda dikkate değer bir kontrol elde ettiler; potansiyel olarak gelişmiş elektron mikroskobu ve spektroskopiyi, elektron ışını şekillendirmeyi, tutarlı modülasyonu ve sondalamayı, dielektrik lazer hızlandırmayı, attosaniye elektron demetlemesini ve elektronla çalışan ışık kaynaklarını kolaylaştırdılar.
Özellikle fotonik yapılar, serbest elektronlar ve ışık arasındaki etkileşimlere aracılık etmeye yardımcı olabilir ve nanoyapılı metalik arayüzler ve plazmonik nanopartiküller, yüzey plazmon polaritonları yoluyla elektron-foton etkileşimlerini mümkün kılar.
Son zamanlarda, yüksek kalite faktörüne (Q) sahip çip bazlı optik mikrorezonatörler, elektron-foton etkileşimlerinin daha fazla araştırılmasına yol açmıştır. Bununla birlikte, bu gösteriler esas olarak yüksek Q mikrorezonatörlerin zengin doğrusal olmayan optik dinamiklerini gözden kaçırarak doğrusal boşluk tepkisinden yararlanmaktadır.
Her ikisi de Lozan, İsviçre’den Dr. Yujia Yang ve Prof. Tobias J. Kippenberg ve Almanya’daki Max Planck Multidisipliner Bilimler Enstitüsü’nden Prof. Claus Ropers liderliğindeki uluslararası bir araştırma ekibi, bir inceleme makalesinde, entegre fotonik mikrorezonatörlerde serbest elektronları doğrusal olmayan optik durumlarla birleştirmeye yönelik çığır açan çalışmalarına odaklanarak, 2024 yılında elektron mikroskoplarında elektron-foton etkileşimlerindeki gelişmeleri kapsamlı bir şekilde özetlediler. Çalışmaları dergide yayınlandı. IEEE Fotonik Dergisi.
“Bir transmisyon elektron mikroskobundaki serbest elektron ışınlarını, optik parametrik salınımlarla sentezlenen tutarlı veya tutarsız mikro peteklerle ilişkili çeşitli uzay-zamansal optik dalga formlarıyla eşleştirdik. Özellikle, mikrorezonatörün içindeki çip bazlı femtosaniye zamansal solitonlarla ultra hızlı elektron ışın modülasyonunu gösterdik” diye vurguluyor Dr. Yang.
Buna ek olarak, araştırmacılar, serbest elektron homodin tespiti yoluyla attosaniye elektron mikroskobu, serbest elektron rezonans interferometrisi ile polariton dalga paketlerinin araştırılması, kiral elektron bobinlerinin oluşturulması ve karakterizasyonunun yanı sıra ultra hızlı Kapitza-Dirac etkisi gibi 2024’te gerçekleştirilen son derece umut verici diğer gelişmeleri de özetlemektedir.
Prof. Kippenberg, “Bu tür ortaya çıkan çeşitli fotonik teknolojiler, serbest elektronları ışıkla birleştirmek için yenilikçi yaklaşımlar sunuyor. Yüksek Q mikrorezonatörlerin zengin doğrusal olmayan optik dinamikleri, serbest elektronları doğrusal olmayan optiklerle kontrol etmek ve doğrusal olmayan optikleri elektron ışınlarıyla araştırmak için ilgi çekici bir fırsat sunuyor” diyor.
Prof. Ropers, “Bu ve gelecek gelişmelerin, elektron görüntüleme ve spektroskopisi, serbest elektron ışık kaynakları, lazer tabanlı parçacık hızlandırıcıları ve ultra hızlı kuantum optiği için gelişmiş elektron kontrolü ve ölçüm şemalarında yeni araştırma ve uygulamaları teşvik edeceğini tahmin ediyoruz” diyerek sözlerini bitiriyor Prof. Ropers, 2024’teki fotonik atılımlarının muazzam potansiyelini vurguluyor.
