加强电子触发发光

电子与光子相互作用的方式是许多现代技术的关键部分，从激光到太阳能电池板再到 LED。但这种相互作用本质上是微弱的，因为尺度上存在很大的不匹配：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，麻省理工学院和其他地方的研究人员想出了一种创新的方法，可以使光子和电子之间的相互作用变得更强，在此过程中，一种叫做史密斯-珀塞尔辐射的现象使光的发射量增加了 100 倍。这一发现对商业应用和基础科学研究都有潜在的影响，尽管需要更多年的研究才能使其实用。

麻省理工学院博士后杨易(现为香港大学助理教授)和查尔斯·罗克斯-卡姆斯、麻省理工学院教授马林·索尔贾西奇和约翰·乔安诺普洛斯以及麻省理工学院的其他五位教授发表的一篇论文中，今天在《自然》杂志上报道了这一发现，哈佛大学和以色列理工学院。

在计算机模拟和实验室实验的结合中，该团队发现，将电子束与专门设计的光子晶体结合使用——绝缘体上的一块硅板，蚀刻有纳米级孔阵列——他们理论上可以预测比传统的 Smith-Purcell 辐射通常可能产生的辐射强很多个数量级。他们还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。这可能使其对于制造难以有效产生的波长的发射源特别有价值，包括太赫兹波、紫外线和 X 射线。

到目前为止，该团队已经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。

该方法基于一种称为平带的概念，该概念近年来在凝聚态物理和光子学领域得到了广泛探索，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以单一角度产生光，而光子晶体的调谐方式使其能够产生整个角度范围。

同样的过程也可以用于相反的方向，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提高它们的速度。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。那显然会很大。对于许多应用程序，您不必建造这些庞大的设施。”

Roques-Carmes 说，新系统还可能为放射治疗目的提供高度可控的 X 射线束。

研究人员表示，该系统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。“这是我们工作中最令人兴奋的未来方向之一。”

Soljačić 警告说，要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。

“之所以令人兴奋，”Roques-Carmes 补充道，“是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。这里是完全可调的。只需改变电子的速度，就可以改变发射频率。...这让我们对这些来源的潜力感到兴奋。因为它们不同，它们提供了新型机会。”

但是，Soljačić 总结道，“为了让它们真正与其他类型的来源竞争，我认为这需要更多年的研究。我想说的是，通过一些认真的努力，他们可能会在两到五年内开始至少在某些辐射领域展开竞争。”