创新增强了基于量子的计算和通信系统的电子触发光发射

电子与光子相互作用的方式是许多现代技术的重要组成部分，从激光到太阳能电池板再到LED。但由于规模上的重大不匹配，这种相互作用本质上是微弱的：可见光的波长大约是电子的1000倍，因此这两种事物相互影响的方式受到这种差异的限制。

现在，香港大学(HKU)、麻省理工学院和其他大学的研究人员表示，他们已经想出了一种创新方法，可以使光子和电子之间更强大的相互作用成为可能，从而使一种现象的光发射量增加百倍称为史密斯-珀塞尔辐射。这些发现对商业应用和基础科学研究都有潜在的影响，尽管需要更多年的调查才能付诸实践。

研究结果由YiYang博士(香港大学物理系助理教授、麻省理工学院前博士后)、CharlesRoques-carmes博士(麻省理工学院博士后助理)以及MarinSoljačić教授和JohnJoannopoulos教授(麻省理工学院)发表在《自然》杂志上教授)。研究团队还包括麻省理工学院士兵纳米技术研究所的StevenKooi、哈佛大学的HaoningTang和EricMazur、麻省理工学院的JustinBeroz以及以色列理工学院的IdoKaminer。

通过计算机模拟和实验室实验的结合，该团队发现，使用一束电子和专门设计的光子晶体——绝缘体上的一块硅板，蚀刻有纳米级孔阵列——他们在理论上预测了更强的发射比传统Smith-Purcell辐射通常可能达到的数量级高出许多数量级。他们在概念验证测量中通过实验记录了辐射增加一百倍。

与产生光源或其他电磁辐射的其他方法不同，基于自由电子的方法是完全可调的——它可以产生任何所需波长的发射，只需调整光子结构的大小和电子的速度即可。这对于在难以有效产生的波长(包括太赫兹波、紫外线和X射线)上创建发射源可能特别有价值。

该团队展示了使用改造后的电子显微镜作为电子束源的发射增强百倍。但他们表示，所涉及的基本原理可能会使用专门针对此功能进行调整的设备来实现更大的增强功能。

该方法基于称为“平带”的概念，近年来在凝聚态物理学和光子学中得到广泛探索，但从未应用于影响光子和自由电子的基本相互作用。基本原理涉及动量从电子转移到一组光子，反之亦然。传统的光-电子相互作用依赖于单一模式的光，而光子晶体经过调谐可以同时产生同一频率的整个模式范围。

确切的过程也可以在相反的方向上使用，使用共振光波来推动电子，以一种可能被用来在芯片上构建微型粒子加速器的方式增加它们的速度。这些可能最终能够执行一些目前需要巨型地下隧道的功能，例如瑞士30公里宽的大型强子对撞机。

“如果你真的可以在芯片上构建电子加速器，”Soljačić说，“你可以为一些感兴趣的应用制造更紧凑的加速器，它仍然会产生非常高能的电子。这显然是巨大的，例如，对于放射治疗。对于许多应用，您不必建造这些庞大的设施。”

研究人员说，该系统还可用于产生多个纠缠光子，这是一种量子效应，可用于创建基于量子的计算和通信系统。“你可以使用电子将许多光子耦合在一起，如果使用纯光学方法，这是一个相当困难的问题，”杨说。“这是我们未来令人兴奋的工作方向之一。”

将这些新发现转化为实用设备还有很多工作要做。开发光学和电子元件之间的必要接口以及如何将它们连接在单个芯片上，以及开发产生连续波前的必要片上电子源等挑战可能需要数年时间。

“这很令人兴奋，”Roques-Carmes补充道，“因为这是一种完全不同的来源。”虽然大多数用于产生光的技术仅限于非常特定的颜色或波长范围，并且“通常很难移动该发射频率。在这里它是完全可调的。只需改变电子的速度，就可以改变发射频率。那使我们对这些资源的潜力感到兴奋。因为它们不同，它们提供了新型机会。”

为了使研究成果与其他类型的来源真正具有竞争力，将需要更多年的研究。经过两到五年的认真努力，他们可能至少会在某些辐射领域展开竞争。