單個自由電子在研究人員設計的特殊層狀結構上方傳播，僅比其高出幾十納米。在其運動過程中，電子發出稱為「光子」的離散輻射包。在電子和它發射的光子之間，形成了「量子糾纏」的聯繫。來源：艾拉丸工作室
以色列理工學院安德魯和埃爾娜·維特比電氣與計算機工程學院的研究人員首次對二維限制的切倫科夫輻射進行了實驗觀察。這些結果代表了電子 - 輻射耦合強度的新記錄，揭示了輻射的量子特性。
切倫科夫輻射是一種獨特的物理現象，多年來一直用於醫學成像和粒子檢測應用，以及雷射驅動的電子加速器。以色列理工學院研究人員取得的突破將這一現象與未來的光子量子計算應用和自由電子量子光源聯繫起來。
該研究發表在《物理評論X》上，由以色列理工學院的博士生Yuval Adiv和Shai Tsesses以及新加坡南洋理工大學的Hao Hu（現為中國南京大學教授）領導。該項目由以色列理工學院的Ido Kaminer教授和Guy Bartal教授指導，來自中國的同事：浙江大學的陳洪生教授和Xiao Lin教授。
自由電子與光的相互作用是許多已知輻射現象的基礎，並導致了科學和工業中的許多應用。這些相互作用效應中最重要的一種是切倫科夫輻射——當帶電粒子（如電子）以大於該特定介質中光的相速度穿過介質時發出的電磁輻射。它是超音速爆炸的光學等價物，例如，當噴氣式飛機的行進速度超過音速時，就會發生這種情況。因此，切連科夫輻射有時被稱為「光學衝擊波」。這種現象是在1934年發現的。1958年，發現它的科學家被授予諾貝爾物理學獎。
從那時起，在80多年的研究中，對切倫科夫輻射的研究導致了豐富的應用的發展，其中大部分用於粒子識別探測器和醫學成像。然而，儘管人們非常關注這種現象，但大部分理論研究和所有實驗演示都涉及三維空間中的切倫科夫輻射，並基於經典電磁學的描述。
現在，以色列理工學院的研究人員首次提出了2D切倫科夫輻射的實驗觀察結果，證明在二維空間中，輻射的行為方式完全不同——光的量子描述首次成為解釋實驗結果的關鍵。
研究人員設計了一種特殊的多層結構，使自由電子和沿表面傳播的光波之間的相互作用成為可能。該結構的智能工程允許首次測量2D切倫科夫輻射。這種效應的低維性允許一瞥自由電子輻射發射過程的量子性質：從單個電子發射的光子（光的量子粒子）的數量，以及電子與它們發射的光波糾纏的間接證據。
在這種情況下，「糾纏」意味著電子的性質與發射光的性質之間的相關性，使得測量一個可以提供關於另一個的信息。值得注意的是，2022 年諾貝爾物理學獎的頒發是為了證明量子糾纏效應的一系列實驗（在與本研究中展示的系統不同的系統中）。
Yuval Adiv說：「最令我們驚訝的研究結果涉及實驗中電子輻射發射的效率：雖然目前之前最先進的實驗實現了一百個電子中大約只有一個發射輻射的制度，但在這裡，我們成功地實現了每個電子發射輻射的相互作用機制。換句話說，我們能夠證明交互效率（也稱為耦合強度）提高了兩個數量級以上。這一結果有助於推動高效電子驅動輻射源的現代發展。
Kaminer教授說：「電子發出的輻射是一種古老的現象，已經研究了100多年，很久以前就被吸收到技術中，家用微波爐就是一個例子。多年來，我們似乎已經發現了關於電子輻射的一切，因此，這種輻射已經被經典物理學完全描述的想法變得根深蒂固。與這一概念形成鮮明對比的是，我們建造的實驗裝置可以揭示電子輻射的量子性質。
「現在發表的新實驗探索了電子輻射的量子光子性質。該實驗是我們理解這種輻射的方式範式轉變的一部分，更廣泛地說，是電子與其發射的輻射之間的關係。例如，我們現在明白自由電子可以與它們發射的光子糾纏在一起。在實驗中看到這種現象的跡象既令人驚訝又令人興奮。
Shai Tsesses說：「在Yuval Adiv的新實驗中，我們迫使電子靠近光子等離子體表面，這是我根據Guy Bartal教授實驗室開發的技術計劃的。精確設置電子速度以獲得較大的耦合強度，大於正常情況下獲得的耦合強度，其中耦合是三維輻射。在該過程的核心，我們觀察到輻射發射的自發量子性質，在稱為光子的離散能量包中獲得。通過這種方式，實驗為光子的量子性質提供了新的線索。
更多信息：尤瓦爾·阿迪夫等人，二維切倫科夫輻射的觀察，物理評論 X （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevX.13.011002
期刊信息：物理評論X