自由電子激光器、電子顯微鏡、光譜儀和粒子加速器等設(shè)備的開(kāi)發(fā)，離不開(kāi)自由電子和光子的相互作用。

但是，這些科學(xué)儀器因自由電子和光子相互作用強(qiáng)度的限制，而無(wú)法達(dá)到更高的性能。因此，科學(xué)家們一直在探索改善自由電子和光子的相互作用強(qiáng)度的最佳方案。

圖丨自由電子與光子晶體平板平坦能帶的相互作用示意圖（來(lái)源：香港大學(xué)，設(shè)計(jì)：陳磊）

最近，麻省理工學(xué)院（MIT）領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)合作提出了一種全新方案，可使光子和電子之間的相互作用加強(qiáng)。在研究過(guò)程中，被稱為“史密斯-珀塞爾輻射”（Smith-Purcell radiation）的光發(fā)射過(guò)程增強(qiáng)了百倍，為基礎(chǔ)研究和潛在應(yīng)用指明了新的方向。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature）

前不久，相關(guān)論文以《自由電子輻射的光子平帶共振》（Photonic flatband resonances for free-electron radiation）為題發(fā)表在 Nature 上[*]。

香港大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)系助理教授楊易（原 MIT 博士后研究員） 、MIT 工學(xué)院物理系博士后研究員查爾斯·羅克·卡梅斯（Charles Roques-Carmes）為論文的共同第一作者兼共同通訊作者。

圖丨基于平帶共振的自由電子輻射（來(lái)源：Nature）

據(jù)該團(tuán)隊(duì)透露，這個(gè)系統(tǒng)或?qū)?yīng)用在產(chǎn)生多種糾纏光子，以及開(kāi)發(fā)量子計(jì)算、量子通信系統(tǒng)。

楊易對(duì)媒體表示：“自由電子可以將多光子量子態(tài)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(lái)研究方向之一?！?/p>

羅克·卡梅斯對(duì)媒體進(jìn)一步說(shuō)道：“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—只需改變電子的速度，就可以改變發(fā)射頻率，這讓我們對(duì)這些新型光源的潛質(zhì)抱有期望。”

在計(jì)算機(jī)模擬中，利用電子束和特殊設(shè)計(jì)的光子晶體（絕緣體上刻有納米級(jí)孔數(shù)組的硅片）的結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)過(guò)程相比，“史密斯-珀塞爾輻射”的強(qiáng)度在理論上能高出數(shù)個(gè)量級(jí)。

原理驗(yàn)證結(jié)果顯示，其輻射增強(qiáng)與樣品的非增強(qiáng)區(qū)域相比，大概高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。該基本原理有望在今后的輻射器件中，達(dá)到更大的增強(qiáng)效應(yīng)。

圖丨基于光子平帶增強(qiáng)自由電子輻射（來(lái)源：Nature）

值得關(guān)注的是，他們提出基于自由電子的方案能實(shí)現(xiàn)自主可調(diào)，這和通常研究中產(chǎn)生光源、電磁輻射的方法不同。

也就是說(shuō)，僅需要進(jìn)行光子結(jié)構(gòu)的大小和電子速度的調(diào)節(jié)，就能產(chǎn)生任意波長(zhǎng)的射線。在電磁波譜中，太赫茲波、紫外線和X射線等射線，往往由于缺少輻射源技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)放射，這項(xiàng)研究或?yàn)橄嚓P(guān)區(qū)域給出新的光源方案。

該現(xiàn)象背后的原理是在平坦能帶（Flatbands）的物理概念基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。最近幾年，平坦能帶成為凝聚態(tài)物理以及光子學(xué)領(lǐng)域的熱門方向，但還沒(méi)有在光子、自由電子的相互作用上應(yīng)用。

其相關(guān)的作用過(guò)程，與電子動(dòng)量與光子動(dòng)量間的匹配相關(guān)?；谄綆У墓庾泳w調(diào)諧手段，可實(shí)現(xiàn)用同一頻率下連續(xù)橫向模式的激發(fā)，從而增強(qiáng)輻射能力。

相同的原理亦能在時(shí)間反演的物理過(guò)程中應(yīng)用，即在芯片上通過(guò)共振光波，構(gòu)建微型粒子加速器的方式促進(jìn)電子的加速。該功能的優(yōu)勢(shì)有望在未來(lái)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。

“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?！痹撜撐淖髡咧弧IT 物理系教授馬林·索賈契奇 （Marin Solja?i? ）對(duì)媒體說(shuō)道。

不止于學(xué)術(shù)研究，該團(tuán)隊(duì)對(duì)技術(shù)的應(yīng)用轉(zhuǎn)化也有相關(guān)的推進(jìn)計(jì)劃。為更好地與工業(yè)界結(jié)合，他們?cè)谖磥?lái)的研究中將繼續(xù)解決相關(guān)科學(xué)問(wèn)題。

據(jù)論文內(nèi)容：“未來(lái)該方案仍有系列挑戰(zhàn)需克服，例如開(kāi)發(fā)光學(xué)和電子元件之間的必要接口（尤其是在芯片上），以及開(kāi)發(fā)與連續(xù)波前耦合的合適電子源?！辈⑶遥麄冞€計(jì)劃在 2-5 年應(yīng)用在輻射波段。

參考資料：

*.Yang, Y., Roques-Carmes, C., Kooi, S.E. et al. Photonic flatband resonances for free-electron radiation. Nature **3, 42–47 (2023).