光、マイクロ波、電子をブリッジして精密校正を実現

November, 21, 2025, Lausanne--EPFLの研究者は、マイクロ波、光、自由電子の周波数をリンクすることにより、電子分光計を極めて正確に校正する方法を開発した。

周波数は、科学において最も正確に測定可能な量の1つである。定規の歯のように等間隔の正確な周波数を生成する一連のツールである光周波数コームのおかげで、研究者はマイクロ波から光に至るまで、電磁スペクトル全体の周波数を接続でき、計時、分光法、ナビゲーションの画期的な進歩が可能になる。

電子エネルギー損失分光法(EELS)は、原子レベルで材料の構造と特性を調査するために使用される強力なツールである。これは、電子がサンプルを通過するときにエネルギーをどのように失うかを測定することによって機能する。しかし、EELSは優れた空間分解能を提供するが、そのスペクトル分解能、つまりエネルギーを正確に測定する能力は、光学的方法に遅れをとっている。

EELSの現在の校正方法は原子エネルギー準位に依存しており、精度と範囲の両方が制限されている。ナノスケールの材料分析や振動分光法など、高いスペクトル精度が必要なアプリケーションでは、これは課題となる。

この制限を克服するために、Tobias J. Kippenberg教授、Dr.Thomas LaGrange、Fabrizio Carbone教授は、光周波数コムの精度を自由電子の領域にもたらす新しい技術を開発した。Nature Communicationsに掲載されたこの研究は、透過型電子顕微鏡内のフォトニックチップを使用して、マイクロ波、光学、および自由電子領域にまたがる周波数測定の橋渡しが可能であることを示している。

この方法の中心となるのは、透過型電子顕微鏡に統合された窒化ケイ素(Si3N4)マイクロ共振器チップ。研究チームはチップに連続波レーザを照射した。このレーザは、光周波数コームを「定規」として使用して、特定の周波数にロックされた。

自由電子がチップの近くを通過すると、レーザの電磁場と相互作用し、量子化されたステップで微量のエネルギーを拾った。この相互作用により、電子スペクトルが櫛状(cobm-like)構造に変更され、各ピークは周波数櫛を使用して正確に定義されたレーザのフォトンエネルギーの倍数に対応した。

櫛状の電子スペクトルを分析することで、チームは電子分光計を驚くべき精度で校正することができた。チームは、様々な校正ランを比較し、彼らの方法が分光計の公称分散の系統誤差を検出し、高精度で修正できることを発見した。この新しいキャリブレーションアプローチは、従来の方法の20倍の精度であり、複数のレーザ周波数にわたって安定した状態を維持した。

チームはまた、電子スペクトルだけでレーザの光周波数を計算し、本質的に自由電子が光を測定できることを示した。

この技術は、超高精度電子分光法への扉を開く。これにより、材料の振動特性や電子特性を研究したり、化学結合を分析したり、さらにはナノスケールでの量子効果を探求したりする能力が向上する可能性がある。一般的な透過型電子顕微鏡を連続波モードで使用するため、広く適用可能である。将来的には、この研究は電子分光法におけるエネルギー変化を定義するための新しい標準につながり、電子ベースの周波数コムを可能にすることさえありうる。