撰稿|本文由课题组供稿
近日，以色列理工大学Ido Kaminer教授研究团队与新加坡南洋理工大学胡昊博士后、浙江大学林晓教授团队合作，在等离激元结构中观测到二维切伦科夫辐射及其量子特性。该工作首次揭示了单光子-单电子耦合区间，因此是自由电子量子电动力学领域的重要突破，对于实现高亮度的自由电子量子光源具有重要意义。相关成果以 “Observation of 2D Cherenkov Radiation” 为题发表于期刊《Physical Review X》上。以色列理工大学Yuval Adiv博士为论文第一作者，南洋理工大学胡昊博士后和以色列理工大学Shai Tsesses博士后为论文共同第一作者，Ido Kaminer教授为论文通讯作者。
自由电子和光的相互作用是基础科学的前沿领域之一，在医学放疗、光诱导近场电子显微成像、介质激光加速器、阴极发光等应用上发挥重要作用。其中，最具代表性的自由电子和光相互作用现象是1934年前苏联物理学家Pavel Cherenkov教授发现的切伦科夫辐射：当带电粒子的运动速度超过光的相速度时该粒子向三维空间辐射电磁冲击波的现象。近二十年，三维切伦科夫辐射在诸多超构材料平台得以实现。这些新型切伦科夫辐射具有可控的速度阈值、辐射角等诸多优势，促进了下一代片上光源和小型化粒子探测器等实际应用的优化设计。然而，三维切伦科夫辐射通常被认为是经典过程而不具备量子特性。这是由于三维切伦科夫辐射中自由电子和光相互作用往往很弱且远无法达到量子强耦合的区间。
当切伦科夫辐射的维度从三维降至二维时，其辐射特性将会发生重大改变。1994年丹麦物理学家Ole Keller教授最先预测切伦科夫-朗道表面冲击波，即二维切伦科夫辐射，存在于表面等离激元系统。该二维切伦科夫辐射具有高强度、窄带宽的性质 （见图1），有望实验观测到量子化的辐射行为。然而，至今为止还未实验真正实现二维切伦科夫辐射。因此，切伦科夫辐射量子化的辐射行为也尚未被观测到。
本文首次基于等离激元结构实验实现了二维切伦科夫辐射。该等离激元结构由Au-SiO2-Si3N4多层结构实现，可支持二维传播的光子准粒子, 即表面等离激元模式。通过合理设计光子准粒子的色散，能够满足能量在2.083-2.295eV的光子准粒子与动能在93-200keV的自由电子的相位匹配条件，从而实现二维切伦科夫辐射。实验中，自由电子由透射电子显微镜发射，于掠入射角度与等离激元结构发生相互作用，最终通过电子能量损失谱（EELS）表征电子和光子准粒子间的耦合强度（见图2）。
图1. 三维与二维切伦科夫辐射理论对比。
图2.二维切伦科夫辐射实验测试装置图。
当自由电子与光子准粒子满足相位匹配条件时，自由电子将产生二维经典切伦科夫辐射，其损失能量对应于第一个EELS峰（见图3）。该EELS峰的形状不仅依赖于自由电子的动能，还与电子和等离激元结构的间距相关。由于表面等离激元的色散本质，二维切伦科夫辐射带宽较窄，这为实验观测自由电子辐射的量子本质创造理想条件。通过经典理论预测得到的第一个EELS峰的形状与实验结果高度吻合。
该工作还实验证明：当电子的能量不确定性低于辐射光子的能量时，电子将与辐射光子发生纠缠（见图4）。在电子的能量不确定性足够低的情况下，实验观测到三个等能量间隔的EELS峰。每个EELS峰的峰值对应于自由电子辐射特定数目光子准粒子的概率。而多光子辐射则是由于电子与其辐射光子的纠缠所致。根据量子电动力学理论，辐射特定数目光子准粒子的概率满足泊松分布。通过实验与非经典理论的完美拟合，可以测得自由电子和光子准粒子量子耦合强度。该耦合强度处于0.51-0.99之间，较早前所有自由电子辐射相关实验结果高出两个数量级（见图5）。
图3.二维切伦科夫辐射电子能量损失谱的经典区间。
图4.自由电子辐射量子特性的实验表征。
图5.自由电子和光学准粒子的量子耦合强度。
多光子切伦科夫辐射在量子信号处理上具有重要应用，有助于实现高效的量子逻辑门。此外，该发现还可用于设计自由电子量子光源，其不仅强度高于束缚电子光源4个数量级，而且为多光子态制备提供解决方案。该工作因此建立了自由电子辐射与量子光学领域之间的重要联系，将光和物质的相互作用极限提升到一个全新的高度。
论文链接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011002
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