来自香港大学、麻省理工学院和其他大学的研究人员想出了一种创新的方法来促进光子和电子之间的相互作用。这些发现最近发表在《自然》杂志上。上面的艺术插图是自由电子和光子晶体板的平带之间的互动。Credit: Lei Chen

电子与光子的互动方式是许多现代技术的一个重要组成部分，从激光到太阳能电池板到LED。但是，这种相互作用本质上是弱的，因为有一个主要的尺度不匹配：可见光的波长大约是电子的1000倍，所以这两种东西相互影响的方式受到这种差异的限制。

现在，香港大学（港大）、麻省理工学院和其他大学的研究人员说，他们已经想出了一个创新的方法，使光子和电子之间更强大的相互作用成为可能，这种现象称为Smith-Purcell辐射，使光的发射量增加一百倍。这一发现对商业应用和基础科学研究都有潜在的影响，尽管它需要更多年的调查才能付诸实践。

这些发现由杨毅博士（香港大学物理系助理教授，曾在麻省理工学院做博士后）、Charles Roques-armes博士（麻省理工学院博士后）和Marin Soljačić教授和John Joannopoulos教授（麻省理工学院教授）在《自然》杂志上发表。研究团队还包括麻省理工学院士兵纳米技术研究所的Steven Kooi，哈佛大学的Haoning Tang和Eric Mazur，麻省理工学院的Justin Beroz，以及以色列理工学院的Ido Kaminer。

通过计算机模拟和实验室实验的结合，研究小组发现，使用一束电子与特殊设计的光子晶体--绝缘体上的硅片，蚀刻有纳米级孔阵列--他们在理论上预测了比传统的史密斯-珀塞尔辐射通常可能的更强的发射量级。在他们的概念验证测量中，他们实验性地记录了辐射的百倍增长。

与其他产生光或其他电磁辐射源的方法不同，基于自由电子的方法是完全可调整的，它可以产生任何所需波长的辐射，只需调整光子结构的大小和电子的速度。这可能被证明对创造难以有效生产的波长的发射源特别有价值，包括太赫兹波、紫外光和X射线。

该团队已经证明了使用一个被重新利用的电子显微镜作为电子束源在发射方面有百倍的增强。但他们说，所涉及的基本原理有可能通过使用专门用于该功能的设备实现更大的增强。

该方法基于一个叫做 "平带 "的概念，近年来在凝聚态物理学和光子学中被广泛探索，但从未被应用于影响光子和自由电子的本质互动。其基本原理涉及从电子到一组光子的动量转移，或反之亦然。传统的光-电子相互作用依赖于单一的光模式，而光子晶体经过调谐，能够在同一频率下同时产生一系列的模式。

这个确切的过程也可用于相反的方向，利用谐振光波来推动电子，增加它们的速度，这种方式有可能被用来在芯片上建立小型化的粒子加速器。这些最终可能能够执行一些目前需要巨大的地下隧道的功能，例如瑞士30公里宽的大型强子对撞机。

"Soljačić说："如果你能真正在芯片上建立电子加速器，"你可以为一些感兴趣的应用制造更紧凑的加速器，这将仍然产生非常高能的电子。这显然将是巨大的，例如，用于放射治疗。对于许多应用来说，你不必建造这些巨大的设施"。

研究人员说，该系统还可以用来产生多个纠缠的光子，这是一种量子效应，在创建基于量子的计算和通信系统时可能很有用。"杨说："你可以使用电子将许多光子耦合在一起，如果使用纯粹的光学方法，这是一个相当困难的问题。"这是我们工作的一个令人兴奋的未来方向"。

将这些新发现转化为实用的设备还有很多工作要做。可能需要几年时间来开发光学和电子元件之间的必要接口，以及如何在单个芯片上连接它们，并开发必要的片上电子源，产生一个连续的波前，以及其他挑战。

"这是令人兴奋的，"Roques-Carmes补充说，"因为这是一个相当不同类型的源。虽然大多数产生光的技术被限制在非常具体的颜色或波长范围内，而且 "通常很难移动该发射频率。在这里，它是完全可调整的。仅仅通过改变电子的速度，你就可以改变发射频率。这使我们对这些来源的潜力感到兴奋。因为它们是不同的，它们提供了新类型的机会。"

为了使研究成果真正能够与其他类型的来源竞争，它将需要再进行一些年的研究。通过两到五年的认真努力，它们可能至少在某些辐射领域开始竞争。

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