研究揭示了光子和自由电子之间相互作用的量子性质

一位艺术家对 ACHIP 结构及其交互作用的描绘。集成在电子显微镜中的硅光子器件提供与 CW 光的有效电子相互作用，从而能够检测量子光子统计数据。根据光的光子统计，电子在通过硅光子通道时会与光发生纠缠。该图像使用了硅光子加速器的精确设计，并且还使用其内部的精确场分布来描绘光子场分布。图片来源：以色列理工学院的SimplySci Animations、Urs Haeusler 和AdQuanta 小组。

       几十年来，物理学家已经知道光可以同时描述为波和粒子。这种极有吸引力的光“二元性”是由于电磁激发的经典和量子性质，电磁场是通过这个过程产生的。

        到目前为止，在光与自由电子相互作用的所有实验中，它都被描述为波。然而，以色列理工学院的研究人员最近收集了第一个实验证据，揭示了光子和自由电子之间相互作用的量子性质。他们的研究结果发表在《Science》杂志上，可能对未来光子与自由电子相互作用的研究具有重要意义。

        进行这项研究的三名研究人员Raphael Dahan、Alexey Gorlach 和 Ido Kaminer  通过电子邮件告诉 Phys.org:“大约两年前，在我们的实验发现自由电子和光之间的相互作用可以在100倍光学周期的距离内保持其相干性后，我们第一次有了进行这项研究的想法”，“大约在这个时候，两篇重要的理论工作也出来了，它们都探讨了光的量子特性应该如何改变与电子的相互作用。”

        这两项先前的理论研究，一项是由哥廷根大学的Ofer Kfir进行的，另一项由德国科学研究院 (ICFO) 的 Javier García de Abajo及其同事进行的，他们预测了光和自由电子之间发生的一种新型基本相互作用，揭示了光的量子特性。从这些重要的预测中汲取灵感，Kaminer、Dahan、Gorlach 和他们的同事开始寻找一种能够通过实验研究这种相互作用的系统。更具体地说，研究人员想证明光的量子统计可以改变电子-光相互作用。

        Kaminer、Dahan 和 Gorlach 解释说：“这促使我们寻找两个重要的组成部分”，“第一个是电子和光之间具有更好耦合的设备，第二个是光子源，它将产生具有尽可能高强度的量子光源。”

       为了实现更高的耦合效率，研究人员咨询了芯片加速器 (ACHIP)研究团体的成员，该团体旨在使用激光器实现紧凑的电子加速并将其集成到芯片上。经过一系列计算，该团队发现耦合效率可以比之前所有实验所展示的提高数百倍。

       Kaminer、Dahan 和 Gorlach 说：“我们首先与斯坦福大学的一个小组（Solgaard、England、Leedle、Byer 和他们的学生）合作——他们为我们设计并提供了用于第一次测试的 ACHIP 结构”, “这是第一个在透射电子显微镜内使用硅光子芯片的实验，并且已经产生了极具吸引人的影响，导致另一篇由 Yuval Adiv 等人撰写的论文很快出现在 PRX 上。”

        随后，一个由德国埃朗根的 Peter Hommelhoff 领导的团队—Kaminer 和他的同事开始与 ACHIP 团体的另一部分研究者合作，该研究小组为Kaminer提供了  进行这项复杂实验所需的世界上最好的 ACHIP 结构。

       为了产生强量子光源，研究人员与色列理工学院的 Eisenstein 小组密切合作。这个小组允许他们使用一种特殊的光放大器：一种可以将光的量子光子统计从泊松分布（如经典相干光）改变为超泊松分布的仪器。

       Dahan说:“我们的研究是一段相当长的旅程”,“结合所有这些不同的元素，并通过使用我们的超快透射电子显微镜进行的非常具有挑战性的实验，我们实现了我们的主要目标：展示了自由电子与具有不同量子特性的光之间的第一次相互作用。”

       Kaminer 和他的同事们最终能够通过在整个实验中不断改变光子统计数据并展示电子能谱如何响应变化来揭示光子和自由电子之间相互作用的量子性质。他们观察到的光子统计数据的变化取决于光放大器中泵浦和种子激光的强度。

       研究人员主要探索是涉及输入光和自由电子的相互作用。在他们的实验中，电子充当光状态的探测器。因此，通过测量它们的能量，研究人员能够提取关于光的量子信息。

       正如他们汲取灵感的理论论文所预测的那样，只能通过量化电子和光来解释电子测量。Kaminer说：“只有使用这个新理论，与我们的测量结果的一致性才变得非常好”，“从基本的角度来看，我们研究的主要发现是：量子光与自由电子之间的相互作用，相互作用中纠缠的出现以及量子-经典对应原理。这个原理显示了通过电子及其跃迁到随机行走的量子行走的效应。”

       除了可能为新的光相关物理研究铺平道路外，实验证据还可以为几种新技术的发展提供信息。这包括可以收集高分辨率图像的非破坏性和非侵入性成像工具。

       Kaminer、Dahan 和 Gorlach 说：“首先，我们证明了可以使用自由电子来测量光的量子光子统计数据”，“这种测量有几个优点，可以在未来得到证明，例如，非破坏性、具有高时间分辨率以及发生在具有高空间分辨率的近场中。”

       Kaminer 和他的团队最近的工作证明，可以使用连续光波 (CW) 临时塑造电子。这一结果可以将硅光子芯片集成到电子显微镜中，以增强电子显微镜的能力，例如，在不损害其空间分辨率的情况下将阿秒时间分辨率引入最先进的显微镜中。

        Kaminer、Dahan 和 Gorlach 说：“我们现在计划在两个主要研究方向继续我们的工作”，“第一个是致力于光子近场的全量子态断层扫描，例如无需耦合光测量芯片上光的压缩。我们正在研究的另一个方向是使用相干形状的电子产生量子光，我们在最近的理论论文中提出的愿景表明了这个方向。”