原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#自由电子辐射1#纳米光子学3
撰稿 | Blair (西湖大学，博士生)
光与物质间的相互作用是众多光学应用的核心，在粒子识别、医学成像、量子级联激光器、光学频率梳以及其他非线性光学和纳米光子学等领域有广泛的应用。
从本质上讲，光与物质的相互作用主要是通过光与电子间的相互作用来实现的，按照电子的类型这种相互作用可以分为两类：
一类是光与束缚电子的相互作用，如超材料、超表面、光子晶体和二维材料的光学性质就是由光与束缚在材料中的电子间的相互作用决定的；
第二类是光与自由电子间的相互作用，比如说运动电子与激光脉冲间的相互作用。
Nature Reviews Physics | 光子准粒子：光与物质的相互作用
在现代光学中，光-物质相互作用在束缚电子系统中已经得到了广泛的研究，如各种光子晶体、超材料和拓扑光学材料等。然而，光与自由电子的相互作用直到近年来光子诱导近场电子显微镜(PINEM)的发现之后才得以实现。并且到目前为止，在所有的光子诱导近场电子显微镜实验中，由于自由电子的局域近场特性，电子和光之间的能量-动量仍旧难以匹配，因此自由电子-光相互作用仍然很弱。
近期，来自以色列理工学院的Ido Kaminer团队以 Resonant phase-matching between a light wave and a free-electron wavefunction 为题在 Nature Physics 上发表文章。
图1. 艺术效果图：产生电子能量梳的电子-激光相互作用
图源：以色列理工学院
该团队次在实验上创新性的利用光子诱导近场电子显微镜和棱镜实现了自由电子波包与光波的速度匹配，实现了电子与光子间的共振效应，并通过其激发出的反向量子切伦科夫辐射证实了光与自由电子间的强量子相互作用，这一发现为实现自由电子量子比特打开了大门。
图2. 艺术效果图：光与物质的相互作用
切伦科夫效应(Cherenkov effect)是一个相对古老而成熟的研究领域，其被发现已经有近90年的历史，是电动力学最基本的物理效应之一。切伦科夫效应指的是当带电粒子穿过透明介质(如水、稀有气体、光子晶体和超材料等)时发生的电磁辐射现象：当带电粒子在介质中的运动速度v超过该介质中光的相速度(c/n)时，就会产生电磁辐射。由于前苏联物理学家P. A. Cherenkov1934年首次在实验中发现了这种自由电子辐射现象，因此这种辐射被命名为切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)，Cherenkov本人也因这个发现荣获1958年诺贝尔物理学奖。
自切伦科夫辐射被发现以来，物理学界普遍认为基于麦克斯韦方程的经典电动力学已经足以解释切伦科夫辐射：包括维塔利·金兹伯格(Vitaly Ginzburg)和列夫·兰道(Lev Landau)等在内的很多之前物理学家的工作，都表明这种现象中的量子效应无关紧要。然而，当Ido Kaminer教授于2013年基于现代物理学理论重新审视切伦科夫辐射效应时，他发现了切伦科夫辐射中由自由电子量子特性引起的全新的量子效应。
图3. 通过棱镜实现电子与光子速度的精确匹配
图源：Nature Physics
尽管一开始，Ido Kaminer的研究结果在物理学界引发了很多争议，但几年后，其他科学家开始在史密斯-珀塞尔效应(Smith-Purcelleffect)等其他自由电子辐射效应中发现了类似的量子特征，这一现象的实验验证开始引发了物理学界的广泛兴趣。在过去的几年里，物理学家已经从理论上发现了三种量子切伦科夫现象。最近由IdoKaminer实验室的两名学生RaphaelDahan和SaarNehemia首次从实验上证明了其中一种效应。另外两种效应目前仍停留在理论预测阶段，还有待实验证实。
IdoKaminer认为，从物理学历史发展的角度来看，今天物理学界所取得的进步是相当令人惊讶的。IdoKaminer团队使用他们自主研发的光子诱导近场电子显微镜(PINEM)进行实验，这个超快透射电子显微镜实验装置在金兹伯格和朗道的时代是无法实现的，也可能就是为什么金兹伯格和朗道当时没有注意到切伦科夫辐射中的这种强量子效应。这台光子诱导近场电子显微镜(PINEM)在过去10年里经过Ahmed Zewail和其他世界知名科学家不懈的迭代改进，目前已经成为世界上进行自由电子辐射实验的最佳平台。
通常，当一个电子被激光脉冲照亮时，它与光波的相互作用非常弱。主要原因是电子和光波的运动速度完全不同(即电子的运动速度总是比光速慢)。这种速度的不匹配严重阻碍电子和光之间的相互作用。在IdoKaminer的实验中，他们利用光在透明介质中的相速度与介质的折射率成反比这一特性，通过一个透明的棱镜来减慢靠近电子的光波。如图4所示，通过精确匹配电子被激光照亮的角度，他们能够将激光脉冲光波的速度降低到与电子速度相等，并利用这种速度上的匹配产生了电子与光子的共振效应。
图4. 量子切伦科夫辐射效应
图源：Nature Physics
Ido团队利用这种方法观察到了光与自由电子极强的相互作用，并且通过匹配光速和粒子速度实现了自由电子的相干量子行为和量子切伦科夫效应。该团队首次在实验上实现了电子波和光波之间的共振，揭示了一种新型的光学非线性效应，并基于这种共振效应创造了自由电子能量梳。由于阿秒科学专门研究发生在比如原子或分子的电子电离等几阿秒(即10-18秒)内发生的物理过程，这种自由电子能量梳对阿秒科学系统的研究很有意义。到目前为止，阿秒科学领域的大多数实验都是使用阿秒激光脉冲进行的，但是IdoKaminer团队基于切伦科夫辐射的结果证实了使用阿秒电子脉冲实现阿秒科学研究的可行性。
IdoKaminer在接受媒体采访时表示，从基础物理的角度来看，他们的实验证明了调控自由电子的量子波特性可以改变其受激辐射特性，这为研究量子切伦科夫效应开辟了全新的思路。在接下来的研究中，研究人员将进一步研究自由电子辐射中的量子效应，并研究二维切伦科夫辐射的实验实现。
IdoKaminer表示，光的量子性质通常在与自由电子的相互作用中被忽视，但他们在这里实现的光与自由电子间的强相互作用有望改变这一传统观念，为下一代片上电子加速器、量子信息的研究和发展提供新的思路和平台。
论文信息
Dahan, R., Nehemia, S., Shentcis, M. et al. Resonant phase-matching between a light wave and a free-electron wavefunction. Nat. Phys. 16, 1123–1131 (2020).
论文地址
https://doi.org/10.1038/s41567-020-01042-w
编辑 | 赵阳
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原标题：《量子切伦科夫辐射的实验实现》