Quand la photonique intégrée rencontre la microscopie électronique

Le microscope électronique à transmission (MET) permet de visualiser les structures moléculaires à l’échelle atomique en utilisant les électrons au lieu de la lumière. Il a révolutionné la science des matériaux et la biologie structurale. Au cours de la dernière décennie, on s’est beaucoup intéressé à l’association de la microscopie électronique avec des excitations optiques, en essayant, par exemple, de contrôler et de manipuler le faisceau d’électrons par la lumière. Mais un défi majeur a été l’interaction plutôt faible entre les électrons qui se propagent et les photons.

Dans une étude récente, des chercheuses et chercheurs ont réussi à mettre en évidence une modulation extrêmement efficace du faisceau d’électrons à l’aide de microrésonateurs photoniques intégrés. Publiée dans la revue Nature, cette étude a été dirigée par le professeur Tobias J. Kippenberg de l’EPFL et le professeur Claus Ropers de l’Institut Max Planck de chimie biophysique et de l’Université de Göttingen.

Les deux laboratoires ont établi une collaboration inhabituelle, réunissant les domaines généralement sans rapport de la microscopie électronique et de la photonique intégrée. Les circuits intégrés photoniques peuvent guider la lumière sur une puce avec des pertes très faibles, et améliorer les champs optiques à l’aide de résonateurs en micro-anneau. Dans les expériences menées par l’équipe de Claus Ropers, un faisceau d’électrons a été dirigé à travers le champ proche optique d’un circuit photonique, afin de permettre aux électrons d’interagir avec la lumière améliorée. Les chercheuses et chercheurs ont ensuite sondé l’interaction en mesurant l’énergie des électrons qui avaient absorbé ou émis des dizaines voire des centaines d’énergies photoniques. Les puces photoniques ont été conçues par l’équipe de Tobias J. Kippenberg. Elles ont été créées de sorte que la vitesse de la lumière dans les résonateurs en micro-anneau corresponde exactement à la vitesse des électrons, ce qui augmente considérablement l’interaction électron-photon.

Cette technique permet une forte modulation du faisceau d’électrons, avec seulement quelques milliwatts d’un laser à onde continue, un niveau de puissance généré par un pointeur laser ordinaire. Cette approche simplifie le contrôle optique des faisceaux d’électrons et en augmente considérablement l’efficacité. Elle peut être parfaitement mise en œuvre dans un microscope électronique à transmission ordinaire, et pourrait rendre le schéma plus largement applicable.

«Les circuits photoniques intégrés à base de nitrure de silicium à faibles pertes ont connu d’importantes améliorations. Ils contribuent grandement au progrès de nombreuses technologies émergentes et de la science fondamentale telles que le LiDAR, les télécommunications et l’informatique quantique. Ils s’avèrent maintenant être un nouvel élément dans la manipulation du faisceau d’électrons», affirme Tobias J. Kippenberg.

«L’association de la microscopie électronique et de la photonique permet de rapprocher l’imagerie à l’échelle atomique et la spectroscopie cohérente», ajoute Claus Ropers. «Nous espérons que cela permettra de mieux comprendre et contrôler les excitations optiques microscopiques.»

Les chercheuses et chercheurs envisagent d’étendre leur collaboration en direction de nouvelles formes d’optique quantique et de métrologie attoseconde pour les électrons libres.

Les échantillons de nitrure de silicium ont été mis au point au Centre de MicroNanoTechnologie (CMi) de l’EPFL. Les expériences ont été menées au laboratoire de microscopie électronique à transmission ultrarapide (UTEM) de Göttingen.