Den første demonstration af fasetilpasning mellem en elektronbølge og en lysbølge

Mens forskere har udført utallige undersøgelser, der udforsker samspillet mellem lysbølger og bundne elektronsystemer, kvanteinteraktionerne mellem frie elektroner og lys er først for nylig blevet et emne af interesse i fysiksamfundet. Observationen af ​​frit elektron-lys-interaktioner blev lettet af opdagelsen af ​​en teknik kendt som foton-induceret nærfelt-elektronmikroskopi (PINEM).

Selvom nogle eksperimenter med PINEM-metoder har givet interessante resultater, de frie-elektron-lysinteraktioner, der er observeret indtil videre, er ret svage. Dette skyldes hovedsageligt, at PINEM-metoder indsamler lokaliserede og nærfeltsmålinger uden at adressere hastighedsmisforholdet mellem frie elektroner og lys, som er kendt for at begrænse styrken af ​​deres interaktion.

Forskere ved Technion-Israel Institute of Technology har for nylig observeret en stærk interaktion mellem frie elektronbølger og lysbølger, ved hjælp af et hybrid elektronmikroskop udviklede de. Deres observation af kohærent elektronfasetilpasning, som også er en type omvendt-Cherenkov-interaktion, demonstrerer, hvordan karakteren af ​​elektronbølgefunktioner kan ændre elektron-lys-interaktioner.

"Dette har været en lang rejse for mig personligt, som man kan sige, at jeg har forfulgt dette eksperiment i 7 år nu, "Ido Kaminer, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Jeg begyndte at arbejde på Cherenkov-effekten for 7 år siden, omkring det tidspunkt, hvor jeg flyttede til MIT for at være postdoc. Allerede dengang Cherenkov-effekten havde 80 års historie siden dens første observation i 1934 (og en Nobelpris i 1958)."

Cherenkov-effekten, opkaldt efter Pavel Alekseevic Cherenkov, fysikeren, der først observerede det, er et fænomen, der opstår, når en partikel, der bærer en elektrisk ladning, bevæger sig gennem et gennemsigtigt medium (f. vand eller luft), som kan føre til emission af elektromagnetisk stråling. Hvis partiklen bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i et medium, dens passage gennem det gennemsigtige medium forårsager et kort lysglimt, døbt Cherenkov lys.

Da Kaminer begyndte at studere Cherenkov-effekten, tilbage i 2013, det blev betragtet som en klassisk effekt; andre fysikeres arbejde, herunder Vitaly Ginzburg og Lev Landau, havde antydet, at kvantemekanikken ikke havde nogen betydning for dette fænomen. De teoretiske fund, som Kaminer indsamlede i løbet af de næste par år, var derfor spændende og overraskende, da de foreslog, at Cherenkov-effekten faktisk indeholder fænomener, der stammer fra ladede partiklers kvantenatur.

"Mine resultater var ret kontroversielle i begyndelsen, men over et par år, andre videnskabsmænd begyndte at finde lignende teoretiske træk i relaterede effekter, såsom Smith-Purcell-effekten, " sagde Kaminer. "Disse resultater øgede den generelle interesse i at bygge et eksperiment for at teste disse teoretiske forudsigelser."

I løbet af de sidste par år, fysikere har afgrænset tre typer af kvantefænomener, der teoretisk kan observeres i Cherenkov-effekt-relaterede eksperimenter. Den nylige undersøgelse ledet af to studerende, der er en del af Kaminers laboratorium på Technion, Raphael Dahan og Saar Nehemia, eksperimentelt demonstrerer en af ​​disse effekter for første gang. De to andre effekter mangler endnu at blive bekræftet i eksperimenter og forbliver teoretiske forudsigelser.

"Jeg synes, det er ret fantastisk at se de fremskridt, vi har gjort som et samfund fra et historisk perspektiv, " sagde Kaminer. "Det eksperimentelle setup, som vi byggede på Technion til dette eksperiment, som er baseret på et ultrahurtigt transmissionselektronmikroskop, var umuligt at forestille sig i Ginzburgs og Landaus dage."

Kaminer og hans elever udførte deres eksperimenter ved hjælp af et hybridelektronmikroskop, der inkorporerer laserimpulser specialfremstillet på Technion. Denne type mikroskop, som er ideel til at udføre eksperimenter af Cherenkov-typen, er blevet mere og mere avanceret i løbet af de sidste 10 år, især gennem arbejdet af Ahmed Zewail og andre anerkendte videnskabsmænd verden over.

Når en elektron belyses, dens interaktion med lysbølger er typisk meget svag. Hovedårsagen til dette er, at elektroner og lysbølger bevæger sig med helt forskellige hastigheder (dvs. elektronen bevæger sig altid langsommere end lysets hastighed). Denne hastighedsmismatch forhindrer i sidste ende, at interaktionen mellem elektroner og lys bliver stærkere.

I deres eksperimenter, Kaminer og hans elever brugte et prisme (dvs. et gennemsigtigt objekt) for at bremse lysbølgerne i nærheden af ​​en elektron. Ved præcist at matche den vinkel, hvormed elektronen blev belyst, de var i stand til at bremse lysbølgernes hastighed til det punkt, hvor den matchede elektronens. Denne match i deres hastighed frembragte en effekt kendt som fasetilpasning.

"Vores tilgang muliggjorde observation af en meget stærk interaktion og anden sammenhængende kvanteadfærd af frie elektroner, som aldrig blev set før, " Forklarede Kaminer. "Ideen med at matche lyshastigheden og partikelhastigheden er præcis Cherenkov-effekten. Med andre ord, betingelsen for den stærke interaktion er den samme som betingelsen, der er nødvendig for Cherenkov-effekten, og er også det, som forskere på andre områder kalder fasematching. At disse forskellige koncepter kan kombineres på denne måde er virkelig smukt, efter min mening."

Forskernes demonstration af fasetilpasning mellem en elektronbølge og en lysbølge afslører en ny type optisk ikke-linearitet, hvor relativistiske frie elektroner påtager sig rollen som krystallinske faste stoffer, når de interagerer med lys. Ud over, holdets eksperimenter førte til skabelsen af ​​en fri-elektron energikam; et system, der er af stor interesse for attosecond videnskabelig forskning.

Attosecond science er et område inden for optik, der specifikt undersøger processer, der forekommer inden for få attosekunder (dvs. 10 ^-18 sekunder), såsom ionisering af elektroner fra et atom eller molekyle. Indtil nu, de fleste eksperimenter på dette område er blevet udført ved hjælp af attosecond laserimpulser, men resultaterne indsamlet af Dahan og Nehemia og andre studerende i Kaminers laboratorium bekræfter levedygtigheden af ​​også at bruge attosekundelektronimpulser.

"Fra et grundlæggende perspektiv, vores eksperiment beviser, at en fri elektrons kvantebølgenatur ændrer dens stimulerede stråling, " sagde Kaminer. "Dette er noget, der har været diskuteret i mange år, og som stadig er under intens efterforskning."

Den nylige undersøgelse åbner fascinerende nye muligheder for studiet af Cherenkov-effekten fra et kvanteperspektiv. I deres næste studier, forskerne vil yderligere undersøge den effekt, de observerede, samtidig med at man undersøger andre grundlæggende spørgsmål, der forbliver ubesvarede.

For eksempel, mens alle tidligere eksperimenter, der undersøgte Cherenkov-effekten, samlede observationer af lysbølger i tre dimensioner, teoretikere har også antaget, at der eksisterer en todimensionel Cherenkov-effekt. I deres fremtidige forskning, Kaminer og hans kolleger vil forsøge at observere dette unikke fænomen eksperimentelt.

"Lysets kvantenatur bliver normalt forsømt for interaktioner med frie elektroner, men det stærke samspil, vi opnåede her, kan forhåbentlig ændre det, " sagde Kaminer. "Sådanne kvanteeffekter muliggør også vigtig teknologi. Vi begyndte at undersøge elektronacceleratorer i chip-skala i vores opsætning (kaldet ACHIP, dvs. acceleratorer på chip). Elektronernes kvantenatur rejser superinteressante spørgsmål om sådanne enheder og vil forhåbentlig hjælpe med at forbedre dem."

© 2020 Science X Network