Новости космоса и технологий. » Физика » Первая демонстрация синхронизма между электронной волной и световой волной

Первая демонстрация синхронизма между электронной волной и световой волной

Опубликовал: Admin, 13-11-2020, 10:55, Физика, 47, 0

Первая демонстрация синхронизма между электронной волной и световой волной

Хотя исследователи провели бесчисленное количество исследований, изучающих взаимодействие между световыми волнами и связанными электронными системами, квантовые взаимодействия между свободными электронами и светом только недавно стали предметом интереса в физическом сообществе. Наблюдению за взаимодействиями свободных электронов и света способствовало открытие метода, известного как фотонно-индуцированная электронная микроскопия в ближнем поле (PINEM).

Хотя некоторые эксперименты с использованием методов PINEM дали интересные результаты, свободный электрон свет наблюдаемые до сих пор взаимодействия довольно слабы. Это в основном связано с тем, что методы PINEM собирают локализованные измерения и измерения ближнего поля без учета несоответствия скоростей между свободными электронами и светом, которое, как известно, ограничивает силу их взаимодействия.

Исследователи из Техниона – Израильского технологического института недавно наблюдали сильное взаимодействие между волнами свободных электронов и световые волны , используя разработанный ими гибридный электронный микроскоп. Их наблюдение когерентного электронного фазового синхронизма, которое также является типом обратного черенковского взаимодействия, демонстрирует, как природа электронных волновых функций может изменять электронно-световые взаимодействия.

«Это был долгий путь для меня лично, так как можно сказать, что я проводил этот эксперимент уже 7 лет», - сказал Phys.org Идо Каминер, один из исследователей, проводивших исследование. «Я начал работать над эффектом Черенкова 7 лет назад, примерно в то время, когда я перешел в Массачусетский технологический институт на должность постдока. Уже в то время эффект Черенкова имел 80-летнюю историю с момента его первого наблюдения в 1934 году (и Нобелевской премии в 1958 году. ). "

Эффект Черенкова, названный в честь Павла Алексеевича Черенкова, физика, который первым наблюдал его, представляет собой явление, которое возникает, когда частица, несущая электрический заряд, проходит через прозрачную среду (например, воду или воздух), что может привести к излучению электромагнитное излучение. Если частица движется в среде со скоростью, превышающей скорость света, ее прохождение через прозрачную среду вызывает краткую вспышку света, получившую название черенковского света.

Когда Каминер начал изучать эффект Черенкова еще в 2013 году, он считался классическим эффектом; работы других физиков, в том числе Виталия Гинзбурга и Льва Ландау, показали, что квантовая механика не имеет никакого значения для этого явления. Теоретические открытия, которые Каминер собрал в течение следующих нескольких лет поэтому были интригующими и удивительными, поскольку предполагали, что эффект Черенкова на самом деле содержит явления, возникающие из квантовой природы заряженных частиц.

«Вначале мои результаты были довольно противоречивыми, но через пару лет другие ученые начали находить аналогичные теоретические особенности в связанных эффектах, таких как эффект Смита-Перселла», - сказал Каминер. «Эти открытия повысили общий интерес к постановке эксперимента для проверки этих теоретических предсказаний».

За последние несколько лет физики выделили три типа квантовых явлений, которые теоретически могут наблюдаться в экспериментах, связанных с эффектом Черенкова. Недавнее исследование, проведенное двумя студентами из лаборатории Каминера в Технионе, Рафаэлем Даханом и Сааром Нехемия, впервые экспериментально демонстрирует один из этих эффектов. Два других эффекта еще предстоит подтвердить экспериментально и остаются теоретическими предсказаниями.

«Я думаю, что довольно удивительно видеть прогресс, которого мы достигли как сообщество, с исторической точки зрения», - сказал Каминер. «Экспериментальную установку, которую мы построили в Технионе для этого эксперимента, которая основана на сверхбыстром просвечивающем электронном микроскопе, было невозможно представить во времена Гинзбурга и Ландау».

Каминер и его ученики проводили свои эксперименты с использованием гибридного электронного микроскопа, включающего лазерные импульсы на заказ в Технионе. Этот тип микроскопа, который идеально подходит для проведения экспериментов черенковского типа, за последние 10 лет стал все более совершенным, особенно благодаря работам Ахмеда Зевайла и других известных ученых всего мира.

Когда электрон освещается, его взаимодействие со световыми волнами обычно очень слабое. Основная причина этого в том, что электроны и световые волны движутся с совершенно разными скоростями (то есть электрон всегда движется медленнее скорости света). Это несовпадение скоростей в конечном итоге предотвращает усиление взаимодействия между электронами и светом.

В своих экспериментах Каминер и его ученики использовали призму (то есть прозрачный объект), чтобы замедлить световые волны вблизи электрона. Точно согласовывая угол, под которым освещался электрон, они смогли замедлить скорость световых волн до точки, в которой она соответствовала скорости электрона. Это совпадение их скорости привело к эффекту, известному как синхронизация фаз.

«Наш подход позволил наблюдать очень сильное взаимодействие и другие когерентные квантовые поведения свободных электронов, которые никогда раньше не наблюдались», - пояснил Каминер. «Идея согласования скорости света и скорости частицы и есть эффект Черенкова. Другими словами, условие сильного взаимодействия такое же, как условие, необходимое для эффекта Черенкова, а также то, что ученые в других областях называют синхронизацией фазы. На мой взгляд, тот факт, что эти различные концепции могут быть объединены таким образом, действительно прекрасен ».

Демонстрация исследователями фазового синхронизма между электронной и световой волнами раскрывает новый тип оптической нелинейности, когда релятивистские свободные электроны берут на себя роль кристаллических твердых тел при взаимодействии со светом. Кроме того, эксперименты команды привели к созданию гребенки энергии свободных электронов; система, которая представляет большой интерес для аттосекундных научных исследований.

Аттосекундная наука - это область оптики, которая специально изучает процессы, которые происходят в течение нескольких аттосекунд (то есть 10 18 Секунд), такие как ионизация электронов из атома или молекулы. До сих пор большинство экспериментов в этой области проводилось с использованием аттосекундных лазерных импульсов, но результаты, собранные Даханом, Нехемией и другими студентами в лаборатории Каминера, подтверждают жизнеспособность использования аттосекундных электронных импульсов.

«С фундаментальной точки зрения наш эксперимент доказывает, что квантовая волновая природа свободного электрона изменяет его стимулированное излучение», - сказал Каминер. «Это то, что обсуждается в течение многих лет и все еще находится в стадии интенсивного расследования».

Недавнее исследование открывает новые захватывающие возможности для изучения эффекта Черенкова с квантовой точки зрения. В своих следующих исследованиях исследователи продолжат изучение наблюдаемого эффекта, а также изучат другие фундаментальные вопросы, которые остаются без ответа.

Например, в то время как все предыдущие эксперименты по исследованию эффекта Черенкова собирали наблюдения световых волн в трех измерениях, теоретики также выдвинули гипотезу о существовании двумерного эффекта Черенкова. В своих будущих исследованиях Каминер и его коллеги попытаются наблюдать это уникальное явление экспериментально.

«Квантовой природой света обычно пренебрегают при взаимодействии с Свободными электронами , Но сильное взаимодействие, которое мы здесь достигли, может изменить это», - сказал Каминер. «Такие квантовые эффекты также позволяют использовать важные технологии. Мы начали исследовать ускорители электронов в масштабе чипа в нашей установке (так называемые ACHIP, то есть ускорители на кристалле). Квантовая природа электронов поднимает очень интересные вопросы о таких устройствах и, надеюсь, поможет улучшить их."


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии