Erste Beobachtung des Cherenkov-Strahlungsphänomens im 2D-Raum

Forscher der Andrew and Erna Viterbi Faculty of Electrical and Computer Engineering am Technion – Israel Institute of Technology haben die erste experimentelle Beobachtung von Tscherenkow-Strahlung in zwei Dimensionen präsentiert. Die Ergebnisse stellen einen neuen Rekord in der Elektronen-Strahlungs-Kopplungsstärke dar und offenbaren die Quanteneigenschaften der Strahlung.

Cherenkov-Strahlung ist ein einzigartiges physikalisches Phänomen, das seit vielen Jahren in der medizinischen Bildgebung und in Anwendungen zur Partikeldetektion sowie in lasergetriebenen Elektronenbeschleunigern eingesetzt wird. Der von den Technion-Forschern erzielte Durchbruch verbindet dieses Phänomen mit zukünftigen photonischen Quantencomputeranwendungen und Freie-Elektronen-Quantenlichtquellen.

Die Studie, die in veröffentlicht wurde Körperliche Überprüfung X, wurde von Ph.D. Studenten Yuval Adiv und Shai Tsesses vom Technion, zusammen mit Hao Hu von der Nanyang Technological University in Singapur (heute Professor an der Nanjing University in China). Betreut wurde es von Prof. Ido Kaminer und Prof. Guy Bartal vom Technion in Zusammenarbeit mit Kollegen aus China: Prof. Hongsheng Chen und Prof. Xiao Lin von der Zhejiang University.

Die Wechselwirkung freier Elektronen mit Licht liegt vielen bekannten Strahlungsphänomenen zugrunde und hat zu zahlreichen Anwendungen in Wissenschaft und Industrie geführt. Einer der wichtigsten dieser Wechselwirkungseffekte ist die Cherenkov-Strahlung – elektromagnetische Strahlung, die emittiert wird, wenn sich ein geladenes Teilchen, wie z. B. ein Elektron, mit einer Geschwindigkeit durch ein Medium bewegt, die größer ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts in diesem spezifischen Medium. Es ist das optische Äquivalent eines Überschallknalls, der beispielsweise auftritt, wenn ein Jet schneller als die Schallgeschwindigkeit fliegt. Folglich wird Cherenkov-Strahlung manchmal als „optische Stoßwelle“ bezeichnet. Das Phänomen wurde 1934 entdeckt. 1958 erhielten die Wissenschaftler, die es entdeckten, den Nobelpreis für Physik.

Seitdem hat die Untersuchung der Cherenkov-Strahlung in mehr als 80 Jahren Forschung zur Entwicklung einer Fülle von Anwendungen geführt, die meisten davon für Detektoren zur Teilchenidentifizierung und medizinische Bildgebung. Trotz der intensiven Beschäftigung mit dem Phänomen betraf der Großteil der theoretischen Forschung und aller experimentellen Demonstrationen jedoch die Cherenkov-Strahlung im dreidimensionalen Raum und stützte ihre Beschreibung auf den klassischen Elektromagnetismus.

Jetzt präsentieren die Technion-Forscher die erste experimentelle Beobachtung von 2D-Cherenkov-Strahlung und zeigen, dass sich Strahlung im zweidimensionalen Raum völlig anders verhält – zum ersten Mal ist die Quantenbeschreibung von Licht wesentlich, um die Experimentergebnisse zu erklären.

Die Forscher entwickelten eine spezielle Mehrschichtstruktur, die eine Wechselwirkung zwischen freien Elektronen und Lichtwellen ermöglicht, die sich entlang einer Oberfläche ausbreiten. Die intelligente Konstruktion der Struktur ermöglichte eine erste Messung der 2D-Cherenkov-Strahlung. Die geringe Dimensionalität des Effekts ermöglichte einen Einblick in die Quantennatur des Prozesses der Strahlungsemission freier Elektronen: eine Zählung der Anzahl von Photonen (Quantenteilchen des Lichts), die von einem einzelnen Elektron emittiert werden, und ein indirekter Beweis für die Verschränkung der Elektronen mit den Lichtwellen, die sie aussenden.

„Verschränkung“ bedeutet in diesem Zusammenhang eine Korrelation zwischen den Eigenschaften des Elektrons und denen des emittierten Lichts, sodass die Messung des einen Aufschluss über den anderen gibt. Es ist erwähnenswert, dass der Nobelpreis für Physik 2022 für die Durchführung einer Reihe von Experimenten verliehen wurde, die die Auswirkungen der Quantenverschränkung demonstrieren (in anderen Systemen als den in der vorliegenden Forschung demonstrierten).

Yuval Adiv sagt: „Das Ergebnis der Studie, das uns am meisten überrascht hat, betrifft die Effizienz der Elektronenstrahlungsemission im Experiment: Während die fortschrittlichsten Experimente, die dem jetzigen vorausgingen, ein Regime erreichten, in dem ungefähr nur ein Elektron von hundert emittiert wurde Strahlung, hier ist es uns gelungen, ein Wechselwirkungsregime zu erreichen, bei dem jedes Elektron Strahlung emittiert, also eine Verbesserung der Wechselwirkungseffizienz (auch Kopplungsstärke genannt) um mehr als zwei Größenordnungen nachzuweisen moderne Entwicklungen effizienter elektronengetriebener Strahlungsquellen vorantreiben.“

Prof. Kaminer sagt: „Die von Elektronen emittierte Strahlung ist ein altes Phänomen, das seit über 100 Jahren erforscht und vor langer Zeit in die Technologie aufgenommen wurde, ein Beispiel ist der Mikrowellenherd zu Hause alles Wissenswerte über Elektronenstrahlung entdeckt und damit die Vorstellung verfestigt, dass diese Art von Strahlung durch die klassische Physik bereits vollständig beschrieben wurde.Im krassen Gegensatz dazu ermöglicht die von uns gebaute Versuchsapparatur die Quantennatur der Elektronenstrahlung aufgedeckt werden.

„Das jetzt veröffentlichte neue Experiment untersucht die quantenphotonische Natur der Elektronenstrahlung. Das Experiment ist Teil eines Paradigmenwechsels in der Art und Weise, wie wir diese Strahlung verstehen, und im weiteren Sinne der Beziehung zwischen Elektronen und der von ihnen emittierten Strahlung. Zum Beispiel verstehen wir jetzt, dass freie Elektronen mit den von ihnen emittierten Photonen verschränkt werden können. Es ist sowohl überraschend als auch aufregend, Anzeichen für dieses Phänomen im Experiment zu sehen.“

Shai Tsesses sagt: „In Yuval Adivs neuem Experiment zwangen wir die Elektronen, sich in die Nähe einer photonisch-plasmonischen Oberfläche zu bewegen, die ich basierend auf einer im Labor von Prof. Guy Bartal entwickelten Technik geplant hatte. Die Elektronengeschwindigkeit wurde genau eingestellt, um a zu erhalten große Kopplungsstärke, größer als die, die in normalen Situationen erreicht wird, in denen Strahlung in drei Dimensionen gekoppelt wird Im Kern des Prozesses beobachten wir die spontane Quantennatur der Strahlungsemission, die in diskreten Energiepaketen, Photonen genannt, erhalten wird Auf diese Weise wirft das Experiment ein neues Licht auf die Quantennatur von Photonen.“