《Nature》文獻成果——3D電子“光場”成像：可視化納米光子加速器

以色列理工學(xué)院（Technion）與德國埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)（FAU）的聯(lián)合團隊在《自然・通訊》（Nature Communications）發(fā)表論文《Imaging the field inside nanophotonic accelerators》，首次展示了一種基于光子誘導(dǎo)近場電子顯微鏡（PINEM）的頻調(diào)諧深亞波長近場成像技術(shù)。研究團隊通過改裝透射電子顯微鏡（TEM），結(jié)合連續(xù)波（CW）激光和能量過濾技術(shù)，成功“拍攝”了兩種主流納米光子加速器（雙柱結(jié)構(gòu)與逆設(shè)計共振結(jié)構(gòu)）內(nèi)部的光場分布，揭示了設(shè)計與實際制備的偏差，并通過3D仿真闡明了制造公差對性能的影響。這一成果為高效納米光子器件的設(shè)計打開了新視角。

重要發(fā)現(xiàn)
01實驗技術(shù)：用電子“看見”光場的納米級細節(jié)
傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受衍射極限限制，無法解析亞波長尺度的光場。

研究團隊創(chuàng)新性地改裝了透射電子顯微鏡（TEM），使其具備能量過濾透射電子顯微鏡（EFTEM）功能：

電子束首先穿過納米光子加速器（DLA）通道，與內(nèi)部光場相互作用后，通過能量過濾器篩選出能量增加的電子（即被加速的電子），其空間分布直接反映了加速場的強度分布。

實驗中使用的連續(xù)波（CW）激光（波長1064nm）相比傳統(tǒng)飛秒脈沖激光有三大優(yōu)勢：

弱場線性響應(yīng)：避免電子能量飽和，確保信號強度與場強呈線性關(guān)系；

連續(xù)電子束：更高的電子通量和光束質(zhì)量，提升成像信噪比；

窄帶光譜掃描：亞納米級波長調(diào)諧能力，可解析器件的精細光譜響應(yīng)。

逆設(shè)計共振結(jié)構(gòu)（Inverse-designed）：通過算法優(yōu)化的封閉通道結(jié)構(gòu)。實驗顯示其場分布接近預(yù)期的對稱模式（雙曲余弦分布），且對制造誤差更魯棒——結(jié)構(gòu)直徑偏差在-40nm至+4nm范圍內(nèi)時，仍能保持對稱場分布，而雙柱結(jié)構(gòu)僅在±4nm范圍內(nèi)穩(wěn)定。

創(chuàng)新與亮點
01突破觀測極限：深亞波長分辨率與光譜解析力
該技術(shù)實現(xiàn)了亞10納米級空間分辨率和亞納米級光譜分辨率，首次在實驗中直接觀測到納米光子加速器內(nèi)部的三維光場分布。這打破了傳統(tǒng)表征手段（如掃描電鏡僅能觀測結(jié)構(gòu)表面，無法獲取場分布）的局限，為納米光學(xué)器件的“所見即所得”提供了關(guān)鍵工具。

總結(jié)與展望
這項研究通過可視化納米光子加速器的內(nèi)部光場，揭示了設(shè)計與實際制備之間的微妙差異，為優(yōu)化下一代緊湊型粒子加速器提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。當(dāng)前，納米光子加速技術(shù)的瓶頸在于電子軌跡控制和多模塊級聯(lián)，而精確的場分布信息是突破這一瓶頸的前提。

未來，研究團隊計劃將該技術(shù)擴展至三維場斷層掃描：通過激光聚焦掃描或芯片集成孔徑，逐段解析器件沿電子傳播方向的場分布（如圖5所示），結(jié)合去卷積算法進一步提升分辨率。這將推動復(fù)雜共振結(jié)構(gòu)和變周期加速模塊的設(shè)計，助力實現(xiàn)更高加速梯度（目前實驗中為0.2MeV/m，而飛秒激光驅(qū)動可達GeV/m級）和更緊湊的裝置尺寸。

從更廣泛的應(yīng)用看，該技術(shù)不僅適用于加速器，還可拓展至納米光學(xué)天線、光電子集成器件等領(lǐng)域，幫助科學(xué)家理解光與物質(zhì)在亞波長尺度的相互作用。隨著超快電子顯微技術(shù)與逆設(shè)計算法的結(jié)合，我們正邁向一個“按需定制光場，精準(zhǔn)操控量子”的新時代——或許在不久的將來，便攜式醫(yī)療X射線源、桌面級粒子對撞機等科幻場景，將借助這些納米級“光場地圖”變?yōu)楝F(xiàn)實。

DOI:10.1038/s41467-023-38857-z.