論文の概要: Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2105.03729v2
- Date: Fri, 14 May 2021 16:42:35 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-04-01 03:19:08.092178
- Title: Integrated photonics enables continuous-beam electron phase modulation
- Title（参考訳）: 連続ビーム電子位相変調を可能にする集積フォトニクス
- Authors: J.-W. Henke, A. S. Raja, A. Feist, G. Huang, G. Arend, Y. Yang, J.
Kappert, R. N. Wang, M. M\"oller, J. Pan, J. Liu, O. Kfir, C. Ropers, and T.
J. Kippenberg
- Abstract要約: 集積フォトニクスは、自由電子と光を効率的に結合することができる。
連続波レーザー駆動窒化ケイ素マイクロ共振器を用いて電子ビームのコヒーレント位相変調を示す。
この結果は、自由電子と光を効率的に結合する統合フォトニクスの可能性を強調している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: The ability to tailor laser light on a chip using integrated photonics has
allowed for extensive control over fundamental light-matter interactions in
manifold quantum systems including atoms, trapped ions, quantum dots, and
defect centers. Free electrons, enabling high-resolution microscopy for
decades, are increasingly becoming the subject of laser-based quantum
manipulation. Using free-space optical excitation and intense laser pulses,
this has led to the observation of free-electron quantum walks, attosecond
electron pulses, and imaging of electromagnetic fields. Enhancing the
interaction with electron beams through chip-based photonics promises unique
applications in nanoscale quantum control and sensing, but has yet to enter
electron microscopy. Here, we merge integrated photonics with electron
microscopy, demonstrating coherent phase modulation of an electron beam using a
silicon nitride microresonator driven by a continuous-wave laser. The high-Q
factor (~$10^6$) cavity enhancement and a waveguide designed for phase matching
lead to efficient electron-light scattering at unprecedentedly low,
few-microwatt optical powers. Specifically, we fully deplete the initial
electron state at a cavity-coupled power of 6 $\mu$W and create >500 photon
sidebands for only 38 mW in the bus waveguide. Moreover, we demonstrate $\mu$eV
electron energy gain spectroscopy (EEGS). Providing simultaneous optical and
electronic spectroscopy of the resonant cavity, the fiber-coupled photonic
structures feature single-mode electron-light interaction with full control
over the input and output channels. This approach establishes a versatile
framework for exploring free-electron quantum optics, with future developments
in strong coupling, local quantum probing, and electron-photon entanglement.
Our results highlight the potential of integrated photonics to efficiently
interface free electrons and light.
- Abstract（参考訳）: 集積フォトニクスを用いてチップ上でレーザー光を調整できることは、原子、閉じ込められたイオン、量子ドット、欠陥中心を含む多様体量子系の基本的な光-物質相互作用を広範囲に制御することができる。
何十年にもわたって高分解能顕微鏡を可能にした自由電子は、レーザーベースの量子操作の対象になりつつある。
自由空間の光励起と強いレーザーパルスを用いることで、自由電子量子ウォーク、アト秒電子パルス、および電磁場のイメージングが観察された。
チップベースのフォトニクスによる電子ビームとの相互作用の強化は、ナノスケールの量子制御とセンシングにユニークな応用を約束するが、まだ電子顕微鏡には入っていない。
ここでは, 連続波レーザー駆動の窒化ケイ素マイクロ共振器を用いた電子ビームのコヒーレント位相変調を実証し, 集積光学と電子顕微鏡を融合した。
高Q因子 (~$10^6$) キャビティ強化と位相整合のために設計された導波路は、前例のない低い数マイクロワットの光学パワーで効率的な電子光散乱をもたらす。
具体的には、空洞結合電力6$\mu$Wで初期電子状態を完全に減少させ、バス導波路でわずか38mWで500光子側バンドを生成する。
さらに、$\mu$eV 電子エネルギーゲイン分光法(EEGS)を実証する。
共振器共振器の同時光学および電子分光により、ファイバー結合型フォトニック構造は入力チャネルと出力チャネルを完全に制御する単一モード電子-光相互作用を持つ。
このアプローチは、強いカップリング、局所量子プローブ、電子-光子の絡み合いなど、自由電子量子光学を探索するための汎用的な枠組みを確立する。
この結果は、自由電子と光を効率的に結合する統合フォトニクスの可能性を強調している。
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