Terwijl onderzoekers talloze onderzoeken hebben uitgevoerd naar de interactie tussen lichtgolven en gebonden elektronensystemen, de kwantuminteracties tussen vrije elektronen en licht zijn pas sinds kort een onderwerp van belang binnen de natuurkundige gemeenschap. De waarneming van vrije elektron-licht-interacties werd vergemakkelijkt door de ontdekking van een techniek die bekend staat als foton-geïnduceerde nabije-veld-elektronenmicroscopie (PINEM).

Hoewel sommige experimenten met PINEM-methoden interessante resultaten hebben opgeleverd, de tot nu toe waargenomen interacties met vrij elektronen licht zijn vrij zwak. Dit komt voornamelijk omdat PINEM-methoden gelokaliseerde en nabije-veldmetingen verzamelen zonder de snelheidsmismatch tussen vrije elektronen en licht aan te pakken, waarvan bekend is dat het de kracht van hun interactie beperkt.

Onderzoekers van Technion-Israel Institute of Technology hebben onlangs een sterke interactie waargenomen tussen vrije elektronengolven en lichtgolven, met behulp van een hybride elektronenmicroscoop die ze ontwikkelden. Hun observatie van coherente elektronenfase-aanpassing, wat ook een soort inverse-Cherenkov-interactie is, laat zien hoe de aard van elektronengolffuncties de interacties tussen elektronen en licht kan veranderen.

"Dit is voor mij persoonlijk een lange reis geweest, zoals je zou kunnen zeggen dat ik dit experiment al 7 jaar volg, "Ido Kaminer, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Ik begon 7 jaar geleden aan het Cherenkov-effect te werken, rond de tijd dat ik naar MIT verhuisde voor een postdoc. Reeds in die tijd, het Cherenkov-effect had 80 jaar geschiedenis sinds de eerste waarneming in 1934 (en een Nobelprijs in 1958)."

Het Cherenkov-effect, vernoemd naar Pavel Alekseevic Cherenkov, de fysicus die het voor het eerst heeft waargenomen, is een fenomeen dat optreedt wanneer een deeltje dat een elektrische lading draagt ​​door een transparant medium reist (bijv. water of lucht), die kunnen leiden tot de emissie van elektromagnetische straling. Als het deeltje sneller reist dan de lichtsnelheid in een medium, zijn passage door het transparante medium veroorzaakt een korte lichtflits, Cherenkov-licht genoemd.

Toen Kaminer het Cherenkov-effect begon te bestuderen, terug in 2013, het werd als een klassiek effect beschouwd; het werk van andere natuurkundigen, waaronder die van Vitaly Ginzburg en Lev Landau, had gesuggereerd dat de kwantummechanica van geen belang was voor dit fenomeen. De theoretische bevindingen die Kaminer de komende jaren verzamelde waren daarom intrigerend en verrassend, omdat ze suggereerden dat het Cherenkov-effect eigenlijk verschijnselen bevat die voortkomen uit de kwantumaard van geladen deeltjes.

"Mijn resultaten waren in het begin nogal controversieel, maar over een paar jaar andere wetenschappers begonnen soortgelijke theoretische kenmerken te vinden in gerelateerde effecten, zoals het Smith-Purcell-effect, " Zei Kaminer. "Deze bevindingen vergrootten de algemene interesse in het bouwen van een experiment om deze theoretische voorspellingen te testen."

De afgelopen jaren is natuurkundigen hebben drie soorten kwantumfenomenen afgebakend die theoretisch kunnen worden waargenomen in Cherenkov-effectgerelateerde experimenten. De recente studie geleid door twee studenten die deel uitmaken van Kaminer's lab bij Technion, Raphael Dahan en Saar Nehemia, toont voor het eerst een van deze effecten experimenteel aan. De andere twee effecten moeten nog in experimenten worden bevestigd en blijven theoretische voorspellingen.

"Ik denk dat het verbazingwekkend is om de vooruitgang te zien die we als gemeenschap hebben gemaakt vanuit een historisch perspectief, " zei Kaminer. "De experimentele opstelling die we bij Technion hebben gebouwd voor dit experiment, die is gebaseerd op een ultrasnelle transmissie-elektronenmicroscoop, was onmogelijk voor te stellen in de dagen van Ginzburg en Landau."

Kaminer en zijn studenten voerden hun experimenten uit met behulp van een hybride elektronenmicroscoop die laserpulsen bevat die op maat zijn gemaakt bij Technion. Dit type microscoop, wat ideaal is voor het uitvoeren van experimenten van het Cherenkov-type, is de afgelopen 10 jaar steeds geavanceerder geworden, vooral door het werk van Ahmed Zewail en andere gerenommeerde wetenschappers over de hele wereld.

Wanneer een elektron wordt verlicht, de interactie met lichtgolven is meestal erg zwak. De belangrijkste reden hiervoor is dat elektronen en lichtgolven met geheel verschillende snelheden bewegen (d.w.z. het elektron beweegt altijd langzamer dan de lichtsnelheid). Deze snelheidsmismatch verhindert uiteindelijk dat de interactie tussen elektronen en licht sterker wordt.

In hun experimenten, Kaminer en zijn studenten gebruikten een prisma (d.w.z. een transparant object) om de lichtgolven in de buurt van een elektron te vertragen. Door precies de hoek af te stemmen waaronder het elektron werd verlicht, ze waren in staat om de snelheid van lichtgolven te vertragen tot het punt waar het overeenkwam met die van het elektron. Deze aanpassing in hun snelheid produceerde een effect dat bekend staat als faseaanpassing.

"Onze aanpak maakte de observatie mogelijk van een zeer sterke interactie en ander coherent kwantumgedrag van vrije elektronen dat nog nooit eerder werd gezien, " legde Kaminer uit. "Het idee om de lichtsnelheid en de deeltjessnelheid op elkaar af te stemmen, is precies het Cherenkov-effect. Met andere woorden, de voorwaarde voor de sterke interactie is dezelfde als de voorwaarde die nodig is voor het Cherenkov-effect en is ook wat wetenschappers in andere gebieden fase-aanpassing noemen. Dat deze verschillende concepten op deze manier gecombineerd kunnen worden is echt prachtig, Naar mijn mening."

De demonstratie van de onderzoekers van fase-aanpassing tussen een elektronengolf en een lichtgolf onthult een nieuw type optische niet-lineariteit, waar relativistische vrije elektronen de rol van kristallijne vaste stoffen op zich nemen als ze interageren met licht. In aanvulling, de experimenten van het team leidden tot de creatie van een energiekam met vrije elektronen; een systeem dat van groot belang is voor attoseconde wetenschappelijk onderzoek.

Attoseconde wetenschap is een gebied van optica dat specifiek processen onderzoekt die plaatsvinden binnen een paar attoseconden (d.w.z. 10 ^-18 seconden), zoals de ionisatie van elektronen uit een atoom of molecuul. Tot dusver, de meeste experimenten op dit gebied zijn uitgevoerd met attoseconde laserpulsen, maar de bevindingen verzameld door Dahan en Nehemia en andere studenten in Kaminer's lab bevestigen de levensvatbaarheid van ook het gebruik van attoseconde elektronenpulsen.

"Vanuit een fundamenteel perspectief, ons experiment bewijst dat de kwantumgolfaard van een vrij elektron zijn gestimuleerde straling verandert, " Zei Kaminer. "Dit is iets waarover al vele jaren wordt gedebatteerd en dat nog steeds intensief wordt onderzocht."

De recente studie opent fascinerende nieuwe mogelijkheden voor de studie van het Cherenkov-effect vanuit een kwantumperspectief. In hun volgende studies, de onderzoekers gaan het waargenomen effect nader onderzoeken, terwijl ook andere fundamentele vragen worden onderzocht die onbeantwoord blijven.

Bijvoorbeeld, terwijl alle eerdere experimenten die het Cherenkov-effect onderzochten, waarnemingen van lichtgolven in drie dimensies verzamelden, theoretici hebben ook het bestaan ​​van een tweedimensionaal Cherenkov-effect verondersteld. In hun toekomstig onderzoek Kaminer en zijn collega's zullen proberen dit unieke fenomeen experimenteel te observeren.

"De kwantumaard van licht wordt meestal verwaarloosd voor interacties met vrije elektronen, maar de sterke interactie die we hier hebben bereikt kan daar hopelijk verandering in brengen, "Zei Kaminer. "Dergelijke kwantumeffecten maken ook belangrijke technologie mogelijk. We zijn begonnen met het onderzoeken van elektronenversnellers op chipschaal in onze opstelling (genaamd ACHIP, d.w.z. versnellers op chip). De kwantumaard van de elektronen roept super interessante vragen op over dergelijke apparaten en zal hopelijk helpen om ze te verbeteren."

© 2020 Wetenschap X Netwerk