Datorsimulering av elektron-ljus-interaktionen. Laserljuset (rödblått vågmönster) interagerar med elektronvågfunktionen (långsträckt sfär) som passerar i närheten. Denna unika experimentella installation säkerställer att elektronen utbyter energi med lasern på ett resonant sätt - för att uppnå de exakta förhållandena för Cherenkov -effekten. Upphovsman:Dahan et al.
Medan forskare har genomfört otaliga studier som undersöker interaktionen mellan ljusvågor och bundna elektronsystem, kvantinteraktionen mellan fria elektroner och ljus har först nyligen blivit ett ämne av intresse inom fysikgemenskapen. Observationen av fria elektron-ljus-interaktioner underlättades genom upptäckten av en teknik som kallas fotoninducerad närfält-elektronmikroskopi (PINEM).
Även om vissa experiment med PINEM -metoder har gett intressanta resultat, frilektronljusinteraktionerna som observerats hittills är ganska svaga. Detta beror främst på att PINEM-metoder samlar in lokaliserade och nära fältmätningar utan att ta itu med hastighetsmatchningen mellan fria elektroner och ljus, som är känt för att begränsa styrkan i deras interaktion.
Forskare vid Technion – Israel Institute of Technology har nyligen observerat en stark interaktion mellan fria elektronvågor och ljusvågor, med hjälp av ett hybridelektronmikroskop som de utvecklat. Deras observation av koherent elektronfasmatchning, som också är en typ av invers-Cherenkov-interaktion, visar hur elektronvågfunktionernas karaktär kan förändra elektron-ljusinteraktioner.
"Detta har varit en lång resa för mig personligen, som man kan säga att jag har drivit detta experiment i 7 år nu, "Ido Kaminer, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Jag började arbeta med Cherenkov -effekten för 7 år sedan, ungefär när jag flyttade till MIT för en postdoc. Redan vid den tiden, Cherenkov -effekten hade 80 års historia sedan den första observationen 1934 (och ett Nobelpris 1958). "
Cherenkov -effekten, uppkallad efter Pavel Alekseevic Cherenkov, fysikern som först observerade det, är ett fenomen som uppstår när en partikel som bär en elektrisk laddning färdas genom ett transparent medium (t.ex. vatten eller luft), vilket kan leda till elektromagnetisk strålning. Om partikeln färdas snabbare än ljusets hastighet i ett medium, dess passage genom det transparenta mediet orsakar en kort blixt av ljus, kallat Cherenkov -ljus.
När Kaminer började studera Cherenkov -effekten, tillbaka 2013, det ansågs vara en klassisk effekt; andra fysikers arbete, inklusive Vitaly Ginzburg och Lev Landau, hade föreslagit att kvantmekanik inte hade någon konsekvens för detta fenomen. De teoretiska fynd som Kaminer samlat under de närmaste åren var därför spännande och överraskande, som de föreslog att Cherenkov -effekten faktiskt innehåller fenomen som härrör från laddade partiklers kvantitet.
Illustration av elektron-laser-interaktionen som skapar elektronenergikammen, där en enda elektron koherent delas upp i ett brett spektrum av energier, avbildas av regnbågens färger. Laserljuset (rött) måste kopplas i en exakt vinkel för att den starka interaktionen ska kunna inträffa, vilket resulterar i att elektronen (illustrerad med vitt ljus) samtidigt absorberar och avger hundratals fotoner från lasern. Som ett resultat, elektronen omvandlas till en energikam av diskreta energier separerade med fotonenergikvanta (illustrerad av regnbågen). Upphovsman:Dahan et al.
"Mina resultat var ganska kontroversiella i början, men över ett par år, andra forskare började hitta liknande teoretiska drag i relaterade effekter, såsom Smith-Purcell-effekten, "Kaminer sa." Dessa fynd ökade det allmänna intresset för att bygga ett experiment för att testa dessa teoretiska förutsägelser. "
Under de senaste åren, fysiker har avgränsat tre typer av kvantfenomen som teoretiskt kan observeras i Cherenkov-effektrelaterade experiment. Den senaste studien leds av två studenter som ingår i Kaminer's lab på Technion, Raphael Dahan och Saar Nehemia, experimentellt visar en av dessa effekter för första gången. De andra två effekterna har ännu inte bekräftats i experiment och förblir teoretiska förutsägelser.
"Jag tycker att det är ganska fantastiskt att se de framsteg som vi har gjort som ett samhälle ur ett historiskt perspektiv, "Sa Kaminer." Den experimentella installation som vi byggde på Technion för detta experiment, som är baserat på ett ultrasnabbt transmissionselektronmikroskop, var omöjligt att föreställa sig under Ginzburgs och Landaus dagar. "
Kaminer och hans studenter genomförde sina experiment med ett hybridelektronmikroskop som innehåller laserpulser som är skräddarsydda vid Technion. Denna typ av mikroskop, vilket är idealiskt för att utföra experiment av Cherenkov-typ, har blivit alltmer avancerad under de senaste 10 åren, särskilt genom Ahmed Zewails arbete och andra erkända forskare världen över.
När en elektron lyser, dess interaktion med ljusvågor är vanligtvis mycket svag. Huvudorsaken till detta är att elektroner och ljusvågor rör sig med helt olika hastigheter (dvs. elektronen rör sig alltid långsammare än ljusets hastighet). Denna hastighetsmatchning förhindrar slutligen att interaktionen mellan elektroner och ljus blir starkare.
I deras experiment, Kaminer och hans elever använde ett prisma (dvs. ett transparent objekt) för att bromsa ljusvågorna i närheten av en elektron. Genom att exakt matcha vinkeln vid vilken elektronen belystes, de kunde sakta ner ljusvågornas hastighet till den punkt där den stämde överens med elektronens. Denna matchning i deras hastighet gav en effekt som kallas fasmatchning.
En optisk mikroskopbild av prisma som forskarna använde i experimentet. Detta 0,5 mm prisma infördes i vårt ultrasnabba överföringselektronmikroskop genom att först fästa det på en 3 mm yta (mörkare bakgrund) med ett fyrkantigt hål (i mitten av bilden). Prismajusteringsprocessen var extremt exakt för att säkerställa att elektronerna som passerar i närheten interagerar resonant med ljuset i prisma. Dessa elektroner passerar sedan genom det fyrkantiga hålet i mitten av ytan. Upphovsman:Dahan et al.
"Vår strategi möjliggjorde observation av en mycket stark interaktion och andra sammanhängande kvantbeteenden hos fria elektroner som aldrig setts tidigare, "Kaminer förklarade." Idén med att matcha ljushastigheten och partikelhastigheten är exakt Cherenkov -effekten. Med andra ord, förutsättningen för den starka interaktionen är densamma som den förutsättning som krävs för Cherenkov -effekten och är också vad forskare inom andra områden kallar fasmatchning. Det faktum att dessa olika koncept kan kombineras på detta sätt är riktigt vackert, enligt min åsikt."
Forskarnas demonstration av fasmatchning mellan en elektronvåg och en ljusvåg avslöjar en ny typ av optisk olinearitet, där relativistiska fria elektroner tar rollen som kristallina fasta ämnen när de interagerar med ljus. Dessutom, teamets experiment ledde till skapandet av en fri-elektron energikam; ett system som är av stort intresse för attosekundvetenskaplig forskning.
Attosekundvetenskap är ett område inom optiken som specifikt undersöker processer som sker inom några attosekunder (dvs. 10 -18 sekunder), såsom jonisering av elektroner från en atom eller molekyl. Än så länge, de flesta experiment inom detta område har utförts med attosekundlaserpulser, men fynden som samlats in av Dahan och Nehemia och andra studenter i Kaminers laboratorium bekräftar livskraften att också använda attosekundelektronpulser.
"Ur ett grundläggande perspektiv, vårt experiment visar att kvantvågskaraktären hos en fri elektron förändrar dess stimulerade strålning, "Kaminer sa." Detta är något som har debatterats i många år och som fortfarande är under intensiv utredning. "
Den senaste studien öppnar fascinerande nya möjligheter för studier av Cherenkov -effekten ur ett kvantperspektiv. I deras nästa studier, forskarna kommer att undersöka effekten de observerade ytterligare, samtidigt som man undersöker andra grundläggande frågor som fortfarande är obesvarade.
Till exempel, medan alla tidigare experiment som undersökte Cherenkov -effekten samlade observationer av ljusvågor i tre dimensioner, teoretiker har också antagit förekomsten av en tvådimensionell Cherenkov-effekt. I deras framtida forskning, Kaminer och hans kollegor kommer att försöka observera detta unika fenomen experimentellt.
"Ljusets kvantkaraktär försummas vanligtvis för interaktioner med fria elektroner, men den starka interaktion vi uppnådde här kan förhoppningsvis förändra det, "Kaminer sa." Sådana kvanteffekter möjliggör också viktig teknik. Vi började undersöka chipskala elektronacceleratorer i vår installation (kallad ACHIP, dvs. acceleratorer på chip). Elektronernas kvantart väcker superintressanta frågor om sådana enheter och kommer förhoppningsvis att bidra till att förbättra dem. "
© 2020 Science X Network
