[論文レビュー] Controlling light emission with electron wave interference

Chitraang Murdia, Nicholas Rivera+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2017

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 18被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、自由電子の自発的放出が、ブレムストラーラーレーション過程における電子波動関数の干渉によって制御可能であることを示している。電子運動量の重ね合わせ状態を設計することで、放射振幅の干渉が測定可能で非加法的な放射パターンを生じさせ、電磁スペクトル全域にわたる古典的光放出に対して量子制御を可能にする。

ABSTRACT

It is a long standing question whether or not one can change the nature of spontaneous emission by a free electron through shaping the electron wavefunction. On one hand, shaping the electron wavefunction changes the respective charge and current densities of the electron. On the other hand, spontaneous emission of an electron is an incoherent process and can often be insensitive to the shape of the electron wavefunction. In this work, we arrive at an affirmative answer examining Bremsstrahlung radiation by free electron superposition states. We find that the radiation can be markedly different from an incoherent sum of the radiations of the two states because of interference of the radiation amplitudes from the two components of the superposition. The ability to control free electron spontaneous emission via interference may eventually result in a new degree of control over radiation over the entire electromagnetic spectrum in addition to the ability to deterministically introduce quantum behavior into normally classical light emission processes.

研究の動機と目的

• 電子波動関数を整形することで、自由電子の自発的放出に影響を与えるか、すなわち非古典的仮定である非干渉性をくつがえすかを明らかにすること。
• 電子の量子重ね合わせ状態が、自発的放出の非干渉的性質にもかかわらず、放出放射に観測可能な干渉効果をもたらすかを調査すること。
• 電子-原子散乱における電子波動関数の干渉的制御を通じて、光放出を制御する理論的枠組みを確立すること。
• 重ね合わせ電子状態からの放射振幅の干渉が、放出スペクトルおよび放射分布に非自明で測定可能な修正をもたらすことを実証すること。

提案手法

• 固定されたプロトンに対する電子散乱をクーロンポテンシャルでモデル化し、初期状態を相対位相 ξ を持つ2つの運動量固有状態の重ね合わせとする。
• 量子電磁力学における時序的摂動論を用いて、光子放出のS行列要素を計算し、電子スピンと光子偏光を含める。
• ファインマン規則を用いてブレムストラーラーレーションの行列要素 iℳ を導出し、伝播関数と頂点因子を含め、δ関数を用いて運動量保存を課す。
• 行列要素の二乗を計算して微小断面積を得る。初期スピンの平均と最終スピンおよび光子偏光の総和をとる。
• 最終電子運動量および光子立体角について統合し、周波数および立体角単位あたりの微小放射率を求める。
• S行列の二乗における干渉項が非加法的な放射パターンを生じさせることを示し、個々の状態の非加法的和とは明確に異なる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子波動関数のコherentな重ね合わせが、自由電子の自発的放出において観測可能な干渉効果をもたらすか？
• RQ2 ブレムストラーラーレーションにおいて、重ね合わせ状態からの放射パターンは、その成分の非加法的和と著しく異なるか？
• RQ3 重ね合わせられた電子運動量状態の相対位相に、発生する放射がどの程度依存するか？
• RQ4 放射振幅の干渉が、放射の方向性およびスペクトル分布の制御を可能にするか？
• RQ5 電子波動関数を設計することで、古典的には非干渉的であるプロセスにおいて、決定的で量子的に変調された光放出を実現できるか？

主な発見

• 放射振幅の干渉効果により、加法的でない微小放射率が生じ、S行列の二乗におけるクロス項が全放射パワーに顕著に寄与する。
• 発生する放射パターンは、重ね合わせられた運動量状態の相対位相 ξ に依存し、放射の角度的およびスペクトル的特性を能動的に制御可能である。
• 両方の重ね合わせ成分が同じ最終光子状態に対してエネルギー運動量保存を満たす場合、非ゼロの干渉項が生じ、強め合うか弱まる干渉が可能になる。
• 微小断面積は行列要素 |iℳ|² に依存し、電子運動量の両成分からの干渉寄与を含む。
• 最終的な放射率は電子スピンおよび光子偏光に敏感であり、全断面積はこれらの自由度の平均と総和をとることで得られる。
• 結果として、電子波動関数における量子コherenecが、古典的光放出プロセスの制御に活用可能であることが示され、広帯域放射に対する量子制御の道が開かれる。