资讯: Appl. Phys. Rev. | 自由电子与纳米光子的相互作用

当自由电子撞击光学结构或通过其附近时，其可以自发地发射电磁辐射，这种现象通常被称为自由电子辐射（或阴极发光）。自由电子辐射有许多形式：切伦科夫辐射、穿越辐射和史密斯-珀塞尔辐射，以及电子闪烁（通常称为非相干阴极发光）等。虽然这些效应已经有了一百多年的历史，但近年来纳米光子学的快速发展给这个古老领域注入了全新的生命力。得益于纳米制造技术的进步和新型辐射理论机制的探索、建立与完善，适当设计的纳米光子学结构可以使自由电子辐射得到调控和增强。纳米光子学中的自由电子辐射为广泛可调谐的（从X射线到THz）的集成光源、微型粒子加速器和高灵敏度的高能粒子探测器等应用开辟了道路。

近日，来自美国MIT的Charles Roques-Carmes, Steven E. Kooi, Yi Yang（现为香港大学助理教授）, Nicholas Rivera, Phillip D. Keathley, John D. Joannopoulos, Steven G. Johnson, Karl K. Berggren, Marin Soljačić联合以色列理工学院的Ido kaminer教授在Applied Physics Reviews上以“Free-electron-light interactions in nanophotonics”为题发表综述文章，系统总结了自由电子与新型纳米光子材料相互作用产生自由电子辐射的机理、进展和前景。

这篇文章提出了一个可以描述任意纳米光子学系统中自由电子光-物相互作用的通用统一框架。该框架指出，光子本征模在控制自由电子辐射输出特性（如频率、方向性和偏振）方面发挥了核心作用。

同时，文章系统总结了用于表征扫描和透射电子显微镜中的自由电子辐射的实验技术，讨论了各种用以控制和提取光谱、角度和偏振分辨的自由电子辐射信息的实验方法，并概述了自由电子辐射领域的新发展方向，包括自由电子辐射中的超快和量子效应、紫外和软X射线区可调光源，以及来自光子晶体拓扑态的自由电子辐射等等。

图1：纳米光子学中的自由电子辐射概览

图源：Applied Physics Reviews 10, 011303 (2023).

作为一个有着百年历史的研究领域，自由电子与光和物质的相互作用对电子显微镜、辐射源和高能粒子检测等领域产生了深远的影响。

这个领域深刻揭示了自由电子可以在各种条件下将其能量转化为光子的现象。在过去的二十年中，纳米光子学已经成为一种新型物理平台，可以通过在材料上进行与光子波长相当的尺度的结构设计来控制纳米尺度上的光子模式。

自由电子辐射和纳米光子学这两个领域的最近融合推动了一系列新的应用和基础性发现。这篇综述提供了基于纳米光子学的自由电子-光相互作用的普适性理解，总结了该领域的最近理论和实验进展，并概述了该领域未来的基础研究和新应用的前景。

图2：纳米光子学赋能自由电子辐射的基础研究和新颖应用

图源：Applied Physics Reviews 10, 011303 (2023).

纳米光子学的一个重要特征是人们可以通过设计纳米结构材料（如超表面、光子晶体、谐振器等），以调节光与物质的相互作用。纳米光子结构使得无论是通过在纳米尺度上塑造光传播，还是通过控制原子和分子的发射均成为可能。

自由电子和其他类型的带电高能粒子通常携带与纳米光子学控制的光子能量相比较大的动能，并且原则上可以发射任何能量低于电子动能（包括光学频率）的光子。因此，控制和增强带电粒子辐射的前景在纳米光子学中变得越来越重要。

最近有越来越多的研究涉及自由电子物理和纳米光子学的交叉领域。如果这些研究成功，纳米光子增强的自由电子光源可以覆盖整个电磁谱，并具有可控的偏振、光谱、空间和角度特性。对于电磁谱中缺乏、效率低下、体积庞大和/或昂贵的区域（例如THz、深紫外和X射线），自由电子辐射的这种前景尤其具有吸引力，有望促进新型芯片和实验室应用的发展。

此外，在纳米光子系统中揭示自由电子辐射的新型机制还将为增强束流诊断和检测工具（如Cherenkov和闪烁探测器）开辟道路，这些探测器在现代科学和工程的许多领域中广泛应用。例如，这些探测器可以利用纳米光子学中的各种效应，显著提高其灵敏度，从而区分来自各种入射粒子的信号。

相反的效应也吸引了很多关注：例如在从强激光中吸收能量的纳米结构中，粒子可以加速，形成高度紧凑的粒子加速器，甚至有望有一天能够放在芯片上。纳米光子粒子加速器比传统的线性加速器具有更高的损伤阈值和加速梯度，其紧凑的结构和体积有望实现更精确的放射医学和台式高能电子显微镜。

同时，纳米光子学通过反演设计和拓扑优化（如拓扑光子学和设计优化）等方法对纳米光子学增强自由电子物理产生同等重要的影响。在这个背景下，文章提供了一个统一的自由电子辐射在纳米光子结构中的图像，分析了控制和增强自由电子辐射的物理过程，从而实现上述的这些新颖物理应用。

图3：自由电子自发辐射的典型例子

图源：Applied Physics Reviews 10, 011303 (2023).

这篇综述着重总结了纳米光子学在自由电子物理学和电子-光相互作用中的作用，分析了如何控制和增强电子束与各种自由电子辐射物理中的光子模式的相互作用。

文章不仅对大多数类型的相干和非相干阴极发光进行了系统分类，而且重新审视了几种自由电子辐射作为自由电子与纳米光子结构中特定光子本征模式相互作用的形式。

总之，这篇文章提供了自由电子与纳米光子结构相互作用的基础物理和应用通用的经典框架，将阴极发光建模为自由电子电流密度激发光子本征模式。该框架提供了自由电子物理学的基本公式，并实现了一种统一的方法来塑造和增强阴极发光，并使得解析计算任意纳米光子环境中自由电子产生的电磁辐射成为了可能。

未来，纳米光子学将在控制和增强阴极发光方面发挥更加重要的作用。对自由电子与纳米光子结构相互作用的研究，不仅会深化人们对电子显微镜中的超快速、拓扑和量子效应的理解，同时也将大大推动微型电子加速器、新型辐射光源等重要光学设备的落地应用。

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