创新增强了基于量子的计算和通信系统的电子触发光发射

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来自香港大学，麻省理工学院和其他大学的研究人员提出了一种创新方法来促进光子和电子之间的相互作用。研究结果最近发表在《自然》杂志上。上面的艺术插图是光子晶体板的自由电子和平板之间的相互作用。资料来源：陈磊

电子与光子相互作用的方式是许多现代技术的重要组成部分，从激光到太阳能电池板再到LED。但是，由于尺度上的重大不匹配，相互作用本质上是微弱的：可见光的波长比电子大约1000倍，因此这两种东西相互影响的方式受到这种差异的限制。

现在，香港大学（HKU），麻省理工学院和其他大学的研究人员表示，他们已经提出了一种创新方法，使光子和电子之间更强大的相互作用成为可能，这使得一种称为史密斯 - 珀塞尔辐射的现象的光发射增加一百倍。这些发现对商业应用和基础科学研究都有潜在的影响，尽管需要更多的年调查才能付诸实践。

研究结果由Yi Yang博士（香港大学物理系助理教授和麻省理工学院前博士后），Charles Roques-carmes博士（麻省理工学院博士后助理）以及Marin Soljačić教授和John Joannopoulos教授（麻省理工学院教授）发表在《自然》杂志上。研究小组还包括麻省理工学院士兵纳米技术研究所的Steven Kooi，哈佛大学的Haoning Tang和Eric Mazur，麻省理工学院的Justin Beroz和以色列理工学院的Ido Kaminer。

通过计算机模拟和实验室实验的结合，研究小组发现，使用带有特殊设计的光子晶体的电子束 - 绝缘体上的硅板，蚀刻有一系列纳米级孔 - 理论上他们预测的发射比传统史密斯 - 珀塞尔辐射通常可能更强。他们在概念验证测量中通过实验记录了一百倍的辐射。

与其他产生光源或其他电磁辐射的方法不同，基于自由电子的方法完全可调 - 只需调整光子结构的大小和电子的速度，它就可以产生任何所需波长的发射。这对于在难以有效产生的波长（包括太赫兹波、紫外线和X射线）上产生发射源可能特别有价值。

该团队已经证明了使用重新利用的电子显微镜作为电子束源的发射百倍增强。但他们表示，所涉及的基本原理可能会使用专门适用于此功能的设备来实现更大的增强功能。

该方法基于一种称为“扁平带”的概念，该概念近年来在凝聚态物理学和光子学中得到了广泛探索，但从未应用于影响光子和自由电子的基本相互作用。基本原理涉及动量从电子转移到一组光子，反之亦然。传统的光-电子相互作用依赖于单一的光模式，而光子晶体经过调谐，可以同时以相同的频率产生一系列模式。

确切的过程也可以用于相反的方向，使用共振光波来推动电子，以一种可能被用来在芯片上构建小型粒子加速器的方式增加它们的速度。这些最终可能能够执行一些目前需要巨型地下隧道的功能，例如瑞士30公里宽的大型强子对撞机。

“如果你真的可以在芯片上建造电子加速器，”Soljačić说，“你可以为一些感兴趣的应用制造更紧凑的加速器，这些加速器仍然会产生非常高能的电子。例如，对于放射治疗来说，这显然是巨大的。对于许多应用，您不必建造这些巨大的设施。

研究人员说，该系统还可用于产生多个纠缠光子，这种量子效应可用于创建基于量子的计算和通信系统。“你可以使用电子将许多光子耦合在一起，如果使用纯光学方法，这是一个相当困难的问题，”杨说。“这是我们工作令人兴奋的未来方向之一。

要将这些新发现转化为实用设备，还有很多工作要做。开发光学和电子元件之间的必要接口以及如何将它们连接到单个芯片上，以及开发产生连续波前的必要片上电子源等挑战可能需要数年时间。

“这令人兴奋，”Roques-Carmes补充道，“因为这是一种完全不同的来源。虽然大多数产生光的技术仅限于非常特定的颜色或波长范围，并且“通常很难移动发射频率。在这里它是完全可调的。只需改变电子的速度，就可以改变发射频率。这让我们对这些资源的潜力感到兴奋。因为它们与众不同，所以它们提供了新类型的机会。

为了使研究成果真正与其他类型的来源竞争，还需要几年的研究。在两到五年内做出一些认真的努力，他们可能会开始至少在某些辐射领域竞争。

原标题：《创新增强了基于量子的计算和通信系统的电子触发光发射》

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