MIT等团队设计新方案，提升自由电子与光子兼容性

自由电子激光器、电子显微镜、光谱仪和粒子加速器等设备的开发，离不开自由电子和光子的相互作用。

但是，这些科学仪器因自由电子和光子相互作用强度的限制，而无法达到更高的性能。因此，科学家们一直在探索改善自由电子和光子的相互作用强度的最佳方案。

图丨自由电子与光子晶体平板平坦能带的相互作用示意图（来源：香港大学，设计：陈磊）

最近，麻省理工学院（MIT）领导的国际合作团队合作提出了一种全新方案，可使光子和电子之间的相互作用加强。在研究过程中，被称为“史密斯-珀塞尔辐射”（Smith-Purcell radiation）的光发射过程增强了百倍，为基础研究和潜在应用指明了新的方向。

图丨相关论文（来源：Nature）

前不久，相关论文以《自由电子辐射的光子平带共振》（）为题发表在 Nature 上[1]。

香港大学理学院物理学系助理教授（原 MIT 博士后研究员） 、MIT 工学院物理系博士后研究员查尔斯·罗克·卡梅斯（）为论文的共同第一作者兼共同通讯作者。

图丨基于平带共振的自由电子辐射（来源：Nature）

据该团队透露，这个系统或将应用在产生多种纠缠光子，以及开发量子计算、量子通信系统。

对媒体表示：“自由电子可以将多光子量子态耦合在一起，这在纯光学方案中有着相当大的实现难度。因此，这一电子-光子复合方案是令人兴奋的未来研究方向之一。”

对媒体进一步说道：“这是一种截然不同的方式，虽然大多数用于产生光的技术都仅限于特定的波长范围，并通常较难改变发射频率，但在此研究中它是完全可以调控的—只需改变电子的速度，就可以改变发射频率，这让我们对这些新型光源的潜质抱有期望。”

在计算机模拟中，利用电子束和特殊设计的光子晶体（绝缘体上刻有纳米级孔数组的硅片）的结合，该团队发现，与传统过程相比，“史密斯-珀塞尔辐射”的强度在理论上能高出数个量级。

原理验证结果显示，其辐射增强与样品的非增强区域相比，大概高出两个数量级。该基本原理有望在今后的辐射器件中，达到更大的增强效应。

图丨基于光子平带增强自由电子辐射（来源：Nature）

值得关注的是，他们提出基于自由电子的方案能实现自主可调，这和通常研究中产生光源、电磁辐射的方法不同。

也就是说，仅需要进行光子结构的大小和电子速度的调节，就能产生任意波长的射线。在电磁波谱中，太赫兹波、紫外线和X射线等射线，往往由于缺少辐射源技术难以实现放射，这项研究或为相关区域给出新的光源方案。

该现象背后的原理是在平坦能带（Flatbands）的物理概念基础上实现的。最近几年，平坦能带成为凝聚态物理以及光子学领域的热门方向，但还没有在光子、自由电子的相互作用上应用。

其相关的作用过程，与电子动量与光子动量间的匹配相关。基于平带的光子晶体调谐手段，可实现用同一频率下连续横向模式的激发，从而增强辐射能力。

相同的原理亦能在时间反演的物理过程中应用，即在芯片上通过共振光波，构建微型粒子加速器的方式促进电子的加速。该功能的优势有望在未来替代巨型地下隧道（例如瑞士 30 公里宽的大型强子对撞机）的部分功能。

“基于集成芯片的电子加速器有望产生高速的电子用于放射治疗等应用，因此把加速器微型化有着非凡的意义。”该论文作者之一、MIT 物理系教授马林·索贾契奇 （ ）对媒体说道。

不止于学术研究，该团队对技术的应用转化也有相关的推进计划。为更好地与工业界结合，他们在未来的研究中将继续解决相关科学问题。

据论文内容：“未来该方案仍有系列挑战需克服，例如开发光学和电子元件之间的必要接口（尤其是在芯片上），以及开发与连续波前耦合的合适电子源。”并且，他们还计划在 2-5 年应用在辐射波段。

参考资料：

https://news.mit.edu/2023/electron-triggered-light-emission-0104https://www.hku.hk/press/news_detail_25660.html

1.Yang, Y., Roques-Carmes, C., Kooi, S.E. et al. Photonic flatband resonances for free-electron radiation. Nature 613, 42–47 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05387-5

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