La dynamique optique non linéaire (réponse de la lumière dépendante de l'intensité lors de l'interaction avec des matériaux sous des sources lumineuses de haute intensité) revêt une importance capitale dans la photonique moderne, trouvant des applications dans des domaines allant des lasers, amplificateurs, modulateurs et capteurs à l'étude de sujets tels que l'optique quantique, la dynamique des systèmes non linéaires, ainsi que les interactions lumière-matière.
Ces dernières années, les effets optiques non linéaires tels que Kerr et les effets électro-optiques ont trouvé une utilisation dans les peignes de fréquence optique à base de microrésonateurs, ou « micropeignes ». Ces dispositifs compacts et intégrés à une puce produisent un spectre de raies équidistantes à l'aide d'une source laser monochromatique, ouvrant la voie aux progrès de la métrologie des fréquences, du traitement du signal, de l'informatique optique et des télécommunications.
Ailleurs, les chercheurs ont fait des progrès significatifs dans la compréhension des interactions des électrons libres avec la lumière en microscopie électronique. Ils ont atteint un contrôle remarquable dans la manipulation des électrons avec la lumière et la génération de lumière à partir des électrons, facilitant potentiellement la microscopie et la spectroscopie électroniques avancées, la mise en forme du faisceau électronique, la modulation et le sondage cohérents, l'accélération laser diélectrique, le regroupement d'électrons attoseconde et les sources de lumière pilotées par les électrons.
Notamment, les structures photoniques peuvent aider à arbitrer les interactions entre les électrons libres et la lumière, et les interfaces métalliques nanostructurées et les nanoparticules plasmoniques permettent les interactions électron-photon via les polaritons plasmoniques de surface.
Récemment, des microrésonateurs optiques sur puce dotés d'un facteur de qualité (Q) de haute qualité ont conduit à une exploration plus approfondie des interactions électron-photon. Cependant, ces démonstrations exploitent principalement la réponse linéaire de la cavité, négligeant la riche dynamique optique non linéaire des microrésonateurs à Q élevé.
Dans un article de synthèse, une équipe internationale de chercheurs, dirigée par le Dr Yujia Yang et le professeur Tobias J. Kippenberg, tous deux de l'Institut fédéral suisse de technologie de Lausanne, en Suisse, et le professeur Claus Ropers de l'Institut Max Planck pour les sciences multidisciplinaires, en Allemagne, ont résumé de manière exhaustive les progrès réalisés dans les interactions électron-photon dans les microscopes électroniques en 2024, en mettant l'accent sur leurs travaux révolutionnaires sur le couplage d'électrons libres avec des états optiques non linéaires dans des microrésonateurs photoniques intégrés. Leur étude a été publiée dans le Journal photonique IEEE.
« Nous avons couplé des faisceaux d'électrons libres dans un microscope électronique à transmission avec diverses formes d'onde optiques spatio-temporelles associées à des micropeignes cohérents ou incohérents synthétisés par des oscillations paramétriques optiques. En particulier, nous avons démontré une modulation ultrarapide du faisceau d'électrons par des solitons temporels femtosecondes basés sur une puce à l'intérieur du microrésonateur », souligne le Dr Yang.
De plus, les chercheurs résument d’autres avancées récentes très prometteuses réalisées en 2024, telles que la microscopie électronique attoseconde via la détection homodyne des électrons libres, le sondage des paquets d’ondes de polaritons avec une interférométrie résonante des électrons libres, la génération et la caractérisation de bobines électroniques chirales, ainsi que l’effet Kapitza-Dirac ultrarapide.
« Diverses technologies photoniques émergentes offrent des approches innovantes pour coupler les électrons libres à la lumière. La riche dynamique optique non linéaire des microrésonateurs à Q élevé présente une opportunité intéressante pour contrôler les électrons libres avec une optique non linéaire et sonder l'optique non linéaire avec des faisceaux d'électrons », explique le professeur Kippenberg.
« Nous prévoyons que ces développements et ceux à venir favoriseront de nouvelles recherches et applications dans les schémas avancés de contrôle et de mesure des électrons pour l'imagerie et la spectroscopie électroniques, les sources de lumière à électrons libres, les accélérateurs de particules laser et l'optique quantique ultrarapide », conclut le professeur Ropers, soulignant l'immense potentiel des avancées photoniques de 2024.
