Ученые объединили свет, микроволны и электроны для сверхточных измерений

Фотонный чип, установленный на специальном держателе. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62808-5

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) разработали метод калибровки электронных спектрометров с экстремальной точностью, связав микроволновые, оптические частоты и частоты свободных электронов.

Частота является одной из наиболее точно измеряемых величин в науке. Благодаря оптическим гребенкам частот — инструментам, которые генерируют серию равноотстоящих, точных частот, подобных зубьям линейки, — исследователи могут связывать частоты всего электромагнитного спектра, от микроволн до оптического света. Это позволяет совершать прорывы в хронометрии, спектроскопии и навигации.

Электронная спектроскопия потерь энергии (EELS) — это мощный инструмент для исследования структуры и свойств материалов на атомном уровне. Она работает путем измерения того, как электроны теряют энергию при прохождении через образец. Но хотя EELS обеспечивает отличное пространственное разрешение, ее спектральное разрешение, то есть способность точно измерять энергию, отставало от оптических методов.

Современные методы калибровки для EELS полагаются на атомные энергетические уровни, что ограничивает как точность, так и диапазон. Для приложений, требующих высокой спектральной точности, таких как анализ материалов в наномасштабе или колебательная спектроскопия, это создает проблему.

Чтобы преодолеть это ограничение, профессор Тобиас Дж. Киппенберг, доктор Томас ЛаГранж и профессор Фабрицио Карбоне разработали новую методику, которая переносит точность оптических гребенок частот в область свободных электронов. Работа, опубликованная в Nature Communications, показывает, что стало возможным связать измерения частот в микроволновой, оптической и свободно-электронной областях с использованием фотонного чипа внутри просвечивающего электронного микроскопа.

В основе метода лежит чип микророрезонатора из нитрида кремния (Si₃N₄), интегрированный в просвечивающий электронный микроскоп. Исследователи направили непрерывный лазерный луч на чип. Этот лазер был «привязан» к определенной частоте с использованием оптической гребенки частот в качестве «линейки».

Когда свободные электроны проходили рядом с чипом, они взаимодействовали с электромагнитным полем лазера, приобретая крошечные количества энергии дискретными шагами. Это взаимодействие преобразовало электронный спектр в гребенчатую структуру, где каждый пик соответствовал кратному энергии фотона лазера, которая была точно определена с помощью гребенки частот.

Анализируя гребенчатый электронный спектр, команда смогла откалибровать электронный спектрометр с замечательной точностью. Они сравнили разные серии калибровок и обнаружили, что их метод может выявлять систематические ошибки в номинальной дисперсии спектрометра и корректировать их с высокой точностью. Этот новый подход к калибровке оказался в 20 раз точнее обычных методов и сохранял стабильность при различных частотах лазера.

Они также показали, что один только электронный спектр можно использовать для расчета оптической частоты лазера, по сути позволяя свободным электронам измерять свет.

Эта техника открывает дорогу для сверхвысокоточной электронной спектроскопии. Она может улучшить нашу способность изучать колебательные и электронные свойства материалов, анализировать химические связи или даже исследовать квантовые эффекты в наномасштабе. Поскольку метод использует обычные просвечивающие электронные микроскопы в режиме непрерывного излучения, он широко применим. В будущем эта работа может привести к новому стандарту определения энергетических изменений в электронной спектроскопии и даже позволить создать электронные гребенки частот.

Больше информации: Yujia Yang et al, Unifying frequency metrology across microwave, optical, and free-electron domains, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62808-5

Источник: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne

ИИ: В 2025 году такие междисциплинарные исследования, объединяющие фотонику и электронную микроскопию, становятся ключевыми для развития нанотехнологий. Эта работа — отличный пример того, как фундаментальные разработки в метрологии могут привести к прорыву в прикладных областях, от материаловедения до квантовых вычислений.