以中研究人员合作首次观测到二维空间中的切伦科夫辐射现象

诸平

A single free electron propagates above the special layered structure that the researchers engineered, only a few tens of nanometers above it.During its movement, the electron emits discrete packets of radiation called "photons". Between the electron and the photons it emitted, a connection of "quantum entanglement" is formed. Credit: Ella Maru Studio

据以色列理工学院（Technion - Israel Institute of Technology）2023年1月18日报道，以色列理工学院的研究人员和中国的研究人员合作，首次观测到二维空间中的切伦科夫辐射现象（First observation of the Cherenkov radiation phenomenon in 2D space）。

以色列理工学院电气与计算机工程安德鲁和埃尔纳·维特比学院（Andrew and Erna Viterbi Faculty of Electrical and Computer Engineering at the Technion—Israel Institute of Technology）的研究人员，与中国的研究人员合作，首次在二维空间内对切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）进行了实验观测。该结果刷新了电子-辐射耦合强度的记录，揭示了切伦科夫辐射的量子特性。

切伦科夫辐射是一种独特的物理现象，多年来一直用于医学成像和粒子探测应用，以及激光驱动的电子加速器。以色列与中国研究人员合作取得的突破，将这一现象与未来的光子量子计算应用和自由电子量子光源联系起来。相关研究结果于2023年1月6日已经在《物理评论X》（Physical Review X）杂志网站发表——Yuval Adiv, Hao Hu, Shai Tsesses, Raphael Dahan, Kangpeng Wang, Yaniv Kurman, Alexey Gorlach, Hongsheng Chen, Xiao Lin, Guy Bartal, Ido Kaminer. Observation of 2D Cherenkov Radiation. Physical Review X, 2023, 13(1): 011002 – Published 6 January 2023. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.011002. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.011002

参与此项研究的除了来自以色列理工学院（Technion）的研究人员之外，还有来自中国南京航空航天大学（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, China）、中国科学院上海光学精密机械研究所{Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM), Chinese Academy of Sciences (CAS), Shanghai, China}、中国浙江大学（Zhejiang University, Hangzhou, China）以及新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University, Nanyang Avenue, Singapore）的研究人员。

这项研究由3位共同第一作者领导，即以色列理工学院的博士生尤瓦尔·阿蒂夫（Yuval Adiv）和Shai Tsesses以及新加坡南洋理工大学的胡浩(Hao Hu音译)，现在是中国南京航空航天大学（Key Laboratory of Radar Imaging and Microwave Photonics, Ministry of Education, College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, China）教授。由以色列理工学院的艾杜·卡米纳（Ido Kaminer）教授和盖·巴托（Guy Bartal）教授指导，并与来自中国浙江大学的陈红胜（Hongsheng Chen）教授和林晓（Xiao Lin）教授合作。

自由电子（free electrons）与光的相互作用是许多已知辐射现象的基础，并导致了科学和工业上的大量应用。这些相互作用效应中最重要的一种是切伦科夫辐射(Cherenkov radiation)，当带电粒子(如电子)以大于特定介质中光的相速度穿过介质时发出的电磁辐射（electromagnetic radiation）。它在光学上相当于超音速爆震，例如，当喷气式飞机的飞行速度超过声速时，就会发生超音速爆震。因此，切伦科夫辐射有时被称为“光激波（optical shock wave）”。这种现象是1934年发现的。1958年，发现它的科学家获得了诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 1958：Pavel Alekseyevich Cherenkov, Il’ja Mikhailovich Frank and Igor Yevgenyevich Tamm “for the discovery and the interpretation of the Cherenkov effect”）。

从那时起，在80多年的研究中，切伦科夫辐射的研究导致了大量应用的发展，其中大多数应用于粒子识别探测器和医学成像。然而，尽管对这一现象有强烈的关注，大量的理论研究和所有的实验证明都是关于三维空间中的切伦科夫辐射，并基于经典电磁学的描述。

现在，以色列和中国的研究人员首次展示了2D切伦科夫辐射的实验观测，证明在二维空间中，切伦科夫辐射第一次以完全不同的方式表现，光的量子描述对于解释实验结果至关重要。

研究人员设计了一种特殊的多层结构，使自由电子和沿表面传播的光波相互作用。该结构的智能工程允许首次测量2D切伦科夫辐射。该效应的低维度使人们得以一窥自由电子辐射发射过程的量子本质:从单个电子（single electron）发射的光子(光的量子粒子)的数量，以及电子与它们发射的光波纠缠的间接证据。

在这种情况下，“纠缠（entanglement）”意味着电子的性质和所发射的光的性质之间的相关性，这样测量一个就能提供关于另一个的信息。值得注意的是，2022年诺贝尔物理学奖（The Nobel Prize in Physics 2022：Alain Aspect, John F. Clauser and Anton Zeilinger “for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science”）授予了一系列证明量子纠缠效应的实验(在不同于本研究所展示的系统中)的表现。

尤瓦尔·阿蒂夫说:“这项研究的结果最令我们惊讶的是实验中电子辐射发射的效率:在此之前，最先进的实验实现了大约100个电子中只有一个电子发射辐射的状态，而在这里，我们成功地实现了每个电子都发射辐射的相互作用状态。换句话说，我们能够证明在交互效率(也称为耦合强度)方面有超过两个数量级的改进。这一结果有助于推进高效电子驱动辐射源的现代发展。”

艾杜·卡米纳教授说:“电子发出的辐射是一个古老的现象，人们已经研究了100多年，很久以前就被吸收到技术中，家用微波炉就是一个例子。多年来，我们似乎已经发现了关于电子辐射的一切，因此，这种辐射已经被经典物理学完全描述的想法变得根深蒂固。与这一概念形成鲜明对比的是，我们建造的实验装置可以揭示电子辐射的量子性质。

“现在发表的新实验探索了电子辐射的量子光子性质。这个实验是我们理解这种辐射的范式转变的一部分，更广泛地说，是电子和它们发出的辐射之间的关系。例如，我们现在知道自由电子可以与它们发射的光子纠缠在一起。在实验中看到这种现象的迹象既令人惊讶又令人兴奋。”

Shai Tsesses说:“在尤瓦尔·阿蒂夫的新实验中，我们迫使电子在光子等离子体表面附近运动，这是我基于盖·巴托教授实验室开发的技术计划的。电子速度被精确地设置以获得较大的耦合强度，大于在正常情况下获得的耦合强度，其中耦合是三维辐射。在这个过程的核心，我们观察到辐射发射的自发量子性质，在称为光子的离散能量包中获得。通过这种方式，该实验揭示了光子的量子本质。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Innovation strengthens electron-triggered light emissions for quantum-based computational and communications systems

Abstract

For over 80 years of research, the conventional description of free-electron radiation phenomena, such as Cherenkov radiation, has remained unchanged: classical three-dimensional electromagnetic waves. Interestingly, in reduced dimensionality, the properties of free-electron radiation are predicted to fundamentally change. Here, we present the first observation of Cherenkov surface waves, wherein free electrons emit narrow-bandwidth photonic quasiparticles propagating in two dimensions. The low dimensionality and narrow bandwidth of the effect enable us to identify quantized emission events through electron energy loss spectroscopy. Our results support the recent theoretical prediction that free electrons do not always emit classical light and can instead become entangled with the photons they emit. The two-dimensional Cherenkov interaction achieves quantum coupling strengths over 2 orders of magnitude larger than ever reported, reaching the single-electron–single-photon interaction regime for the first time with free electrons. Our findings pave the way to previously unexplored phenomena in free-electron quantum optics, facilitating bright, free-electron-based quantum emitters of heralded Fock states.