作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 电子-光相互作用的计算机模拟
激光(红蓝波型)与经过附近的电子波函数(拉长的球体)相互作用
这个独特的实验装置确保了电子以共振的方式与激光交换能量——达到切伦科夫效应的精确条件
信用:达汗等
虽然研究人员已经进行了无数的研究来探索光波和束缚电子系统之间的相互作用，但自由电子和光之间的量子相互作用直到最近才成为物理学界感兴趣的话题
光子诱导近场电子显微镜技术的发现促进了自由电子-光相互作用的观察
尽管使用PINEM方法的一些实验已经产生了有趣的结果，但是迄今为止观察到的自由电子-光相互作用相当弱
这主要是因为PINEM方法收集了局域和近场测量，而没有解决自由电子和光速之间的速度失配，这是众所周知的限制它们相互作用的强度
以色列理工学院的研究人员最近使用他们开发的混合电子显微镜观察到了自由电子波和光波之间的强烈相互作用
他们对相干电子相位匹配的观察，也是逆切伦科夫相互作用的一种类型，证明了电子波函数的性质是如何改变电子-光相互作用的
“对我个人来说，这是一个漫长的旅程，可以说我已经从事这个实验7年了，”进行这项研究的研究人员之一伊多·卡米纳告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“7年前，我开始研究切伦科夫效应，当时我去麻省理工学院读博士后
自1934年首次观测到切伦科夫效应(并于1958年获得诺贝尔奖)以来，切伦科夫效应已经有80年的历史了
" 切伦科夫效应是以第一个观察到它的物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·切伦科夫的名字命名的，它是一种当携带电荷的粒子穿过透明介质(例如
g
水或空气)，这会导致电磁辐射的发射
如果粒子在介质中的传播速度超过光速，它穿过透明介质会产生短暂的闪光，称为切伦科夫光
卡米纳在2013年开始研究切伦科夫效应时，它被认为是一种经典效应；包括维塔利·金茨堡和列夫·兰道在内的其他物理学家的工作表明，量子力学对这一现象没有影响
因此，卡米纳在接下来几年里收集的理论发现既有趣又令人惊讶，因为它们表明切伦科夫效应实际上包含了由带电粒子的量子性质产生的现象
电子-激光相互作用的插图，创建了电子能量梳，其中单个电子相干分裂成一个广泛的能量谱，由彩虹色描绘
激光(红色)必须以精确的角度耦合，以发生强相互作用，导致电子(由白光示出)同时吸收和发射数百个来自激光的光子
结果，电子转变成由光子能量量子分隔的离散能量的能量梳(如彩虹所示)
信用:达汗等
卡米纳说:“我的结果在开始时颇有争议，但几年后，其他科学家开始在相关效应中发现类似的理论特征，比如史密斯-珀塞尔效应。”
“这些发现增加了人们对建立一个实验来测试这些理论预测的普遍兴趣
" 在过去的几年里，物理学家描绘了三种量子现象，理论上可以在切伦科夫效应相关的实验中观察到
最近的研究是由两位卡米诺实验室的学生拉斐尔·达汗和萨尔·内米亚领导的，他们第一次从实验上证明了这些效应之一
另外两个效应仍有待实验证实，仍是理论预测
“我认为，从历史的角度来看，我们作为一个社区所取得的进步是非常惊人的，”卡米纳说
“我们在Technion为这个实验建立的实验装置是基于超快透射电子显微镜的，这在金兹堡和朗道时代是无法想象的
" 卡米纳和他的学生使用混合电子显微镜进行实验，该显微镜结合了Technion定制的激光脉冲
这种类型的显微镜是进行切伦科夫型实验的理想选择，在过去的10年里已经变得越来越先进，特别是通过艾哈迈德·兹韦勒和世界上其他知名科学家的工作
当电子被照射时，它与光波的相互作用通常很弱
其主要原因是电子和光波以完全不同的速度运动(即
e
电子的运动总是比光速慢)
这种速度失配最终阻止了电子和光之间的相互作用变得更强
在他们的实验中，卡米纳和他的学生使用了棱镜(我
e
透明物体)来减缓电子附近的光波
通过精确匹配电子被照射的角度，他们能够将光波的速度减慢到与电子的速度相匹配的程度
这种速度上的匹配产生了一种称为相位匹配的效应
研究人员在实验中使用的棱镜的光学显微镜图像
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将5毫米的棱镜插入我们的超快透射电子显微镜中，首先将其固定在一个3毫米的表面(较暗的背景)上，并在图像中心开一个方孔
棱镜对准过程非常精确，以确保附近通过的电子与棱镜中的光发生共振相互作用
这些电子然后穿过表面中心的方形孔
信用:达汗等
“我们的方法能够观测到自由电子的非常强的相互作用和其他前所未见的相干量子行为，”卡米纳解释道
“光速和粒子速度匹配的想法正是切伦科夫效应
换句话说，强相互作用的条件与切伦科夫效应的必要条件相同，也是其他领域的科学家所说的相位匹配
在我看来，这些不同的概念可以以这种方式结合起来的事实真的很美
" 研究人员对电子波和光波之间相位匹配的演示揭示了一种新型的光学非线性，其中相对论自由电子在与光相互作用时扮演了晶体固体的角色
此外，该团队的实验导致了自由电子能量梳的产生；阿秒科学研究中非常感兴趣的系统
阿秒科学是光学的一个领域，专门研究在几阿秒内发生的过程
e
，10-18秒)，例如来自原子或分子的电子电离
到目前为止，这个领域的大多数实验都是使用阿秒激光脉冲进行的，但是达汗和内米亚以及卡米纳实验室的其他学生收集的发现证实了使用阿秒电子脉冲的可行性
“从基础的角度来看，我们的实验证明自由电子的量子波性质改变了它的受激辐射，”卡米纳说
“这是一个争论了多年的问题，目前仍在紧张调查之中
" 最近的研究为从量子角度研究切伦科夫效应开辟了迷人的新可能性
在接下来的研究中，研究人员将进一步调查他们观察到的影响，同时也检查其他尚未回答的基本问题
例如，虽然之前所有研究切伦科夫效应的实验都收集了三维光波的观测结果，但理论家们也假设了二维切伦科夫效应的存在
在他们未来的研究中，卡米纳和他的同事将试图通过实验观察这一独特的现象
“光的量子性质通常在与自由电子的相互作用中被忽略，但我们在这里实现的强相互作用有望改变这一点，”卡米纳说
“这样的量子效应也使重要的技术成为可能
我们开始研究芯片级电子加速器
e
片上加速器)
电子的量子性质提出了关于这种设备的超级有趣的问题，希望有助于改进它们
"
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