《Nature》文獻(xiàn)成果——3D電子“光場(chǎng)”成像：可視化納米光子加速器

以色列理工學(xué)院（Technion）與德國(guó)埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)（FAU）的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)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(chǎng)電子顯微鏡（PINEM）的頻調(diào)諧深亞波長(zhǎng)近場(chǎng)成像技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)改裝透射電子顯微鏡（TEM），結(jié)合連續(xù)波（CW）激光和能量過(guò)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(jì)共振結(jié)構(gòu)）內(nèi)部的光場(chǎng)分布，揭示了設(shè)計(jì)與實(shí)際制備的偏差，并通過(guò)3D仿真闡明了制造公差對(duì)性能的影響。這一成果為高效納米光子器件的設(shè)計(jì)打開(kāi)了新視角。

重要發(fā)現(xiàn)
01實(shí)驗(yàn)技術(shù)：用電子“看見(jiàn)”光場(chǎng)的納米級(jí)細(xì)節(jié)
傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡受衍射極限限制，無(wú)法解析亞波長(zhǎng)尺度的光場(chǎng)。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地改裝了透射電子顯微鏡（TEM），使其具備能量過(guò)濾透射電子顯微鏡（EFTEM）功能：

電子束首先穿過(guò)納米光子加速器（DLA）通道，與內(nèi)部光場(chǎng)相互作用后，通過(guò)能量過(guò)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(chǎng)的強(qiáng)度分布。

實(shí)驗(yàn)中使用的連續(xù)波（CW）激光（波長(zhǎng)1064nm）相比傳統(tǒng)飛秒脈沖激光有三大優(yōu)勢(shì)：

弱場(chǎng)線性響應(yīng)：避免電子能量飽和，確保信號(hào)強(qiáng)度與場(chǎng)強(qiáng)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(jí)波長(zhǎng)調(diào)諧能力，可解析器件的精細(xì)光譜響應(yīng)。

逆設(shè)計(jì)共振結(jié)構(gòu)（Inverse-designed）：通過(guò)算法優(yōu)化的封閉通道結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)顯示其場(chǎng)分布接近預(yù)期的對(duì)稱模式（雙曲余弦分布），且對(duì)制造誤差更魯棒——結(jié)構(gòu)直徑偏差在-40nm至+4nm范圍內(nèi)時(shí)，仍能保持對(duì)稱場(chǎng)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(diǎn)
01突破觀測(cè)極限：深亞波長(zhǎng)分辨率與光譜解析力
該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了亞10納米級(jí)空間分辨率和亞納米級(jí)光譜分辨率，首次在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到納米光子加速器內(nèi)部的三維光場(chǎng)分布。這打破了傳統(tǒng)表征手段（如掃描電鏡僅能觀測(cè)結(jié)構(gòu)表面，無(wú)法獲取場(chǎng)分布）的局限，為納米光學(xué)器件的“所見(jiàn)即所得”提供了關(guān)鍵工具。

總結(jié)與展望
這項(xiàng)研究通過(guò)可視化納米光子加速器的內(nèi)部光場(chǎng)，揭示了設(shè)計(jì)與實(shí)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(jí)聯(lián)，而精確的場(chǎng)分布信息是突破這一瓶頸的前提。

未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該技術(shù)擴(kuò)展至三維場(chǎng)斷層掃描：通過(guò)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(chǎng)分布（如圖5所示），結(jié)合去卷積算法進(jìn)一步提升分辨率。這將推動(dòng)復(fù)雜共振結(jié)構(gòu)和變周期加速模塊的設(shè)計(jì)，助力實(shí)現(xiàn)更高加速梯度（目前實(shí)驗(yàn)中為0.2MeV/m，而飛秒激光驅(qū)動(dòng)可達(dá)GeV/m級(jí)）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(zhǎng)尺度的相互作用。隨著超快電子顯微技術(shù)與逆設(shè)計(jì)算法的結(jié)合，我們正邁向一個(gè)“按需定制光場(chǎng)，精準(zhǔn)操控量子”的新時(shí)代——或許在不久的將來(lái)，便攜式醫(yī)療X射線源、桌面級(jí)粒子對(duì)撞機(jī)等科幻場(chǎng)景，將借助這些納米級(jí)“光場(chǎng)地圖”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

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