<p>電子與的光子相互作用是許多現(xiàn)代技術(shù)的關(guān)鍵部分，從激光到太陽(yáng)能電池板再到 LED（發(fā)光二極體）上亦然。但尺度上的不兼容削弱了它們之間相互作用的強(qiáng)度：可見光的波長(zhǎng)大約為電子尺度的一千倍，兩者差距甚大，其相互影響的方式因而受到這種差異所限制。</p> <p>&nbsp;</p> <p>近日，來自香港大學(xué)（港大）和麻省理工學(xué)院的研究人員以及他們的合作伙伴提出了一種創(chuàng)新方法，可以使光子和電子之間的相互作用加強(qiáng)。在這個(gè)研究過程中，一種名為&ldquo;史密斯-珀塞爾輻射&rdquo;(Smith-Purcell radiation)的光發(fā)射過程增強(qiáng)了達(dá)百倍之多。此發(fā)現(xiàn)有望對(duì)基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用產(chǎn)生影響，盡管后者需要更多研究才有機(jī)會(huì)實(shí)用化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該研究結(jié)果剛刊于權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上，論文作者包括港大理學(xué)院物理學(xué)系助理教授（前麻省理工學(xué)院博士后）楊易博士、麻省理工學(xué)院博士后研究員 Charles ROQUES-CARMES、Marin SOLJA?I?教授 和 John JOANNOPOULOS教授、麻省理工其他成員Steven KOOI和Justin BEROZ、哈佛大學(xué)的 Haoning TANG 和 Eric MAZUR，及以色列理工學(xué)院的 Ido KAMINER。</p> <p>&nbsp;</p> <p>結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)，研究小組發(fā)現(xiàn)，通過將電子束與特殊設(shè)計(jì)的光子晶體（絕緣體上刻有納米級(jí)孔陣列的矽片）結(jié)合使用，&ldquo;史密斯-珀塞爾輻射&rdquo;可以在理論上實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)過程高達(dá)幾個(gè)量級(jí)的強(qiáng)度；他們的原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)則記錄約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的輻射增強(qiáng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>與其他產(chǎn)生光源或電磁輻射的方法不同，研究中基于自由電子的方法是完全可以調(diào)控的&mdash;&mdash;只要調(diào)整光子結(jié)構(gòu)的大小和電子的速度，便可以產(chǎn)生任何波長(zhǎng)的射線。在電磁波譜中，一些射線（包括太赫茲波、紫外線和 X 射線）因缺少輻射源技術(shù)而難以放射，該發(fā)現(xiàn)有望為這些區(qū)域提供基于自由電子的光源方案。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)利用電子顯微鏡測(cè)量平臺(tái)觀測(cè)到約兩個(gè)量級(jí)的輻射增強(qiáng)。在未來的輻射器件中，同樣的基本原理可能實(shí)現(xiàn)更大的增強(qiáng)效應(yīng)。該原理基于平坦能帶（Flatbands）的物理概念。平坦能帶是近年來在凝聚態(tài)物理和光子學(xué)中的研究熱點(diǎn)，但尚未應(yīng)用于光子和自由電子的相互作用。該作用過程涉及動(dòng)量在電子與光子之間的匹配，傳統(tǒng)的光-自由電子相互作用依賴於單一橫模的光，而基于平帶的光子晶體調(diào)諧方式使其能夠同時(shí)以相同的頻率產(chǎn)生一系列橫向模式。</p> <p>&nbsp;</p> <p>同樣的原理也可以用于時(shí)間反演的物理過程，即是用共振光波在芯片上構(gòu)建微型粒子加速器的方式來推動(dòng)電子。此功能或許最終能夠替代巨型地下隧道（例如瑞士 30 公里寬的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）的部分功能。&ldquo;基于集成芯片的電子加速器有望產(chǎn)生高速的電子用于放射治療等應(yīng)用，因此把加速器微型化有著非凡的意義。&rdquo;麻省理工學(xué)院Solja?i?教授說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>研究團(tuán)隊(duì)表示，該系統(tǒng)有望用于產(chǎn)生多種糾纏光子，用于創(chuàng)建基于量子的計(jì)算和通信系統(tǒng)。 港大物理學(xué)系楊易博士表示：&ldquo;自由電子可以將許多光量子耦合在一起，這在純光學(xué)方案中有著相當(dāng)大的實(shí)現(xiàn)難度。因此這一電子-光子復(fù)合方案是令人興奮的未來研究方向之一。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Roques-Carmes補(bǔ)充道：&ldquo;這是一種截然不同的方式，雖然大多數(shù)用于產(chǎn)生光的技術(shù)都僅限于特定的波長(zhǎng)范圍，并通常較難改變發(fā)射頻率，但在此研究中它是完全可以調(diào)控的 &mdash; 只須改變電子的速度，就可以改變發(fā)射頻率， 這讓我們對(duì)這些新型光源的潛力抱有期望。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了實(shí)用化這一方案，一系列挑戰(zhàn)仍須克服，例如開發(fā)光學(xué)和電子元件之間的必要接口（尤其是在芯片上）和開發(fā)與合適連續(xù)波前耦合的電子源。團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)兩年到五年內(nèi)，該方案有望在某些輻射波段產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)力。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>