透射電子顯微鏡（TEM）可以通過使用電子而不是光來對原子尺度的分子結構進行成像，並徹底改變了材料科學和結構生物學。在過去的十年中，人們對電子顯微鏡與光學激發的結合產生了濃厚的興趣，例如，試圖通過光來控制和操縱電子束。但是一個主要的挑戰是傳播的電子與光子的互動相當弱。
在一項新的研究中，研究人員已經成功地證明了使用集成光子微諧振器進行極其有效的電子束調製。這項研究由EPFL的Tobias J. Kippenberg教授和馬克斯-普朗克生物物理化學研究所和哥廷根大學的Claus Ropers教授領導，並發表在《自然》雜誌上。
這兩個實驗室形成了一個非常規的合作，將通常沒有聯繫的電子顯微鏡和集成光子學領域結合起來。光子集成電路可以在芯片上以超低的低損耗引導光線，並利用微環諧振器增強光場。在Ropers小組進行的實驗中，電子束被引導通過光子電路的光學近場，以使電子與增強的光相互作用。然後研究人員通過測量吸收或發射了幾十到幾百個光子能量的電子的能量來探測這種互動。這些光子芯片是由Kippenberg小組設計的，其建造方式使微環諧振器中的光速與電子的速度完全匹配，大大增加了電子-光子的互動。
實驗裝置顯示了用於展示電子-光子相互作用的透射電子顯微鏡和氮化硅微共振器
該技術能夠對電子束進行強有力的調製，只需連續波激光器的幾毫瓦–一個普通激光筆產生的功率水平。該方法構成了對電子束光學控制的極大簡化和效率的提高，它可以在普通的透射電子顯微鏡中無縫實現，並且可以使該方案得到更廣泛的應用。
“基於低損耗氮化硅的集成光子電路已經取得了巨大的進展，並密集地推動了許多新興技術和基礎科學的進步，如LiDAR、電信和量子計算，現在證明是電子束操縱的一個新成分，”Kippenberg說。
“將電子顯微鏡與光子學結合起來，有可能獨特地將原子尺度成像與相干光譜學聯繫起來，”Ropers補充說。”對於未來，我們預計這將產生對微觀光學激發的前所未有的理解和控制。”
研究人員計劃在新形式的量子光學和自由電子的阿托秒計量學方向上進一步擴大他們的合作。