Además, en los últimos años se ha aplicado la óptica no lineal al procesamiento de señales ópticas, telecomunicaciones, detección, espectroscopia, detección de luz y medición de distancias. Todas estas aplicaciones implican la miniaturización de dispositivos que manipulan la luz de forma no lineal en un chip pequeño, lo que permite interacciones de luz complejas a escala de chip.

Ahora, un equipo de científicos de la EPFL y el Instituto Max Planck ha llevado fenómenos ópticos no lineales a un microscopio electrónico de transmisión (TEM), un tipo de microscopio que utiliza electrones para obtener imágenes en lugar de luz. El estudio fue dirigido por el profesor Tobias J. Kippenberg de la EPFL y el profesor Claus Ropers, director del Instituto Max Planck de Ciencias Multidisciplinarias. Ahora está publicado en Science .

En el centro del estudio se encuentran los "solitones de Kerr", ondas de luz que mantienen su forma y energía a medida que se mueven a través de un material, como una ola de surf perfectamente formada que viaja a través del océano. Este estudio utilizó un tipo particular de solitones de Kerr llamados "disipativos", que son pulsos de luz estables y localizados que duran decenas de femtosegundos (una billonésima de segundo) y se forman espontáneamente en el microresonador. Los solitones disipativos de Kerr también pueden interactuar con los electrones, lo que los hizo cruciales para este estudio.

Los investigadores formaron solitones de Kerr disipativos dentro de un microresonador fotónico, un pequeño chip que atrapa y hace circular la luz dentro de una cavidad reflectante, creando las condiciones perfectas para estas ondas. "Generamos varios patrones de luz espaciotemporales no lineales en el microresonador impulsado por un láser de onda continua", explica el investigador de la EPFL Yujia Yang, quien dirigió el estudio. "Estos patrones de luz interactuaron con un haz de electrones que pasaba por el chip fotónico y dejaron huellas digitales en el espectro de electrones".

Específicamente, el enfoque demostró el acoplamiento entre electrones libres y solitones de Kerr disipativos, lo que permitió a los investigadores sondear la dinámica de los solitones en la cavidad del microresonador y realizar una modulación ultrarrápida de haces de electrones.

"Nuestra capacidad para generar solitones de Kerr [DKS] disipativos en un TEM extiende el uso de peines de frecuencia con base de microresonador a territorios inexplorados", dice Kippenberg. "La interacción electrón-DKS podría permitir microscopía electrónica ultrarrápida con alta tasa de repetición y aceleradores de partículas potenciados por un pequeño chip fotónico".

Ropers añade:"Nuestros resultados muestran que la microscopía electrónica podría ser una técnica poderosa para sondear la dinámica óptica no lineal a nanoescala. Esta técnica no es invasiva y puede acceder directamente al campo intracavidad, clave para comprender la física óptica no lineal y desarrollar dispositivos fotónicos no lineales. "

Los chips fotónicos se fabricaron en el Centro de MicroNanoTecnología (CMi) y en la sala limpia del Instituto de Física de la EPFL. Los experimentos se realizaron en el laboratorio de microscopía electrónica de transmisión ultrarrápida (UTEM) de Göttingen.