Один свободный электрон распространяется над специальной слоистой структурой, спроектированной исследователями, всего в нескольких десятках нанометров над ней. Во время своего движения электрон испускает дискретные пакеты излучения, называемые «фотонами». Между электроном и испущенными им фотонами образуется связь «квантовой запутанности».
Предоставлено: Студия Эллы Мару.

Исследователи факультета электротехники и вычислительной техники Эндрю и Эрны Витерби Израильского технологического института Технион представили первое экспериментальное наблюдение черенковского излучения, заключенного в двух измерениях. Результаты представляют собой новый рекорд силы связи электронного излучения с раскрытием квантовых свойств излучения.

Черенковское излучение — это уникальное физическое явление, которое в течение многих лет используется в медицинской визуализации и для обнаружения частиц, а также в лазерных ускорителях электронов. Прорыв, достигнутый исследователями Техниона, связывает это явление с будущими приложениями фотонных квантовых вычислений и источниками квантового света на свободных электронах.

Исследование, которое было опубликовано в Physical Review X , возглавлял доктор философии. студенты Юваль Адив и Шай Цессес из Техниона вместе с Хао Ху из Наньянского технологического университета в Сингапуре (ныне профессор Нанкинского университета в Китае). Руководили им профессора Идо Каминер и профессор Гай Бартал из Техниона в сотрудничестве с коллегами из Китая: профессором Хуншэн Чен и профессором Сяо Линь из Чжэцзянского университета.

Взаимодействие свободных электронов со светом лежит в основе многих известных явлений излучения и привело к многочисленным приложениям в науке и промышленности. Одним из наиболее важных эффектов взаимодействия является черенковское излучение — электромагнитное излучение, испускаемое, когда заряженная частица, такая как электрон, проходит через среду со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой конкретной среде. Это оптический эквивалент сверхзвукового удара, который возникает, например, когда реактивный самолет движется со скоростью, превышающей скорость звука. Поэтому черенковское излучение иногда называют «оптической ударной волной». Явление было открыто в 1934 году. В 1958 году ученые, открывшие его, были удостоены Нобелевской премии по физике.

С тех пор, в течение более чем 80 лет исследований, изучение черенковского излучения привело к развитию множества приложений, большинство из которых для детекторов идентификации частиц и медицинской визуализации. Однако, несмотря на интенсивную озабоченность этим явлением, основная часть теоретических исследований и всех экспериментальных демонстраций касалась черенковского излучения в трехмерном пространстве и основывала его описание на классическом электромагнетизме.

Теперь исследователи из Техниона представляют первое экспериментальное наблюдение двумерного черенковского излучения, демонстрирующее, что в двумерном пространстве излучение ведет себя совершенно по-другому — впервые для объяснения результатов эксперимента необходимо квантовое описание света.

Исследователи разработали специальную многослойную структуру, обеспечивающую взаимодействие между свободными электронами и световыми волнами, распространяющимися по поверхности. Продуманная конструкция конструкции позволила провести первое измерение двухмерного черенковского излучения. Низкая размерность эффекта позволила заглянуть в квантовую природу процесса испускания излучения свободными электронами: подсчет количества фотонов (квантовых частиц света), испускаемых одним электроном, и косвенное свидетельство запутанности электронов световыми волнами, которые они излучают.

В этом контексте «запутанность» означает корреляцию между свойствами электрона и свойствами излучаемого света, так что измерение одного дает информацию о другом. Стоит отметить, что Нобелевская премия по физике 2022 года была присуждена за проведение серии экспериментов, демонстрирующих эффекты квантовой запутанности (в системах, отличных от продемонстрированных в настоящем исследовании).

Юваль Адив говорит: «Результат исследования, который нас больше всего удивил, касается эффективности испускания электронного излучения в эксперименте: в то время как самые передовые эксперименты, предшествовавшие настоящему, достигли режима, в котором примерно один электрон из ста испускался излучения, здесь нам удалось достичь режима взаимодействия, при котором каждый электрон испускает излучение. Другими словами, мы смогли продемонстрировать улучшение эффективности взаимодействия (также называемой силой связи) более чем на два порядка. Этот результат помогает продвигать современные разработки эффективных электронно-управляемых источников излучения».

Профессор Каминер говорит: «Излучение, испускаемое электронами, — это старое явление, которое изучается более 100 лет и уже давно ассимилировано в технологии, например, в домашней микроволновой печи. В течение многих лет казалось, что мы уже открыли все, что нужно было знать об электронном излучении, и, таким образом, укоренилась идея, что этот вид излучения уже был полностью описан классической физикой. В разительном контрасте с этой концепцией построенная нами экспериментальная установка допускает квантовую природу электронного излучения быть раскрытым.

«Новый эксперимент, который был опубликован, исследует квантово-фотонную природу электронного излучения. Эксперимент является частью сдвига парадигмы в том, как мы понимаем это излучение, и, в более широком смысле, отношения между электронами и излучением, которое они испускают. Например. Теперь мы понимаем, что свободные электроны могут запутаться с фотонами, которые они излучают. Удивительно и захватывающе видеть признаки этого явления в эксперименте».

Шай Цессес говорит: «В новом эксперименте Юваля Адива мы заставляли электроны двигаться вблизи фотонно-плазмонной поверхности, которую я спланировал на основе техники, разработанной в лаборатории профессора Гая Бартала. Скорость электронов была точно установлена ​​для получения большая сила связи, больше, чем в обычных ситуациях, когда связь связана с излучением в трех измерениях. В основе процесса мы наблюдаем спонтанную квантовую природу испускания излучения, получаемого в виде дискретных пакетов энергии, называемых фотонами. Таким образом, эксперимент проливает новый свет на квантовую природу фотонов».