[論文レビュー] Resonant phase-matching between a light wave and a free-electron wavefunction

Saar Nehemia, Raphael Dahan+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2020

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 77被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、超高速透過電子顕微鏡において、相対論的電子波動関数と光波の位相一致した相互作用を通じて、量子チェレンコフ放射の初回の実験的観測を実証した。数百ミクロンにわたって位相一致を維持することで、電子は一貫して数百個の光子を放出・吸収し、周波数コンブに類似した量子化されたエネルギー準位のプラトーを形成した。これは、チェレンコフ効果の量子的性質を証明するとともに、新たな量子電磁力学に基づく応用を可能にする。

ABSTRACT

As charged particles surpass the speed of light in an optical medium they produce radiation - analogously to the way jet planes surpass the speed of sound and produce a sonic boom. This radiation emission, known as the Cherenkov effect, is among the most fundamental processes in electrodynamics. As such, it is used in numerous applications of particle detectors, particle accelerators, light sources, and medical imaging. Surprisingly, all Cherenkov-based applications and experiments thus far were fully described by classical electrodynamics even though theoretical work predicts new Cherenkov phenomena coming from quantum electrodynamics. The quantum description could provide new possibilities for the design of highly controllable light sources and more efficient accelerators and detectors. Here, we provide a direct evidence of the quantum nature of the Cherenkov effect and reveal its intrinsic quantum features. By satisfying the Cherenkov condition for relativistic electron wavefunctions and maintaining it over hundreds of microns, each electron simultaneously accelerates and decelerates by absorbing and emitting hundreds of photons in a coherent manner. We observe this strong interaction in an ultrafast transmission electron microscope, achieving for the first time a phase-matching between a relativistic electron wavefunction and a propagating light wave. Consequently, the quantum wavefunction of each electron evolves into a coherent plateau, analogous to a frequency comb in ultrashort laser pulses, containing hundreds of quantized energy peaks. Our findings prove that the delocalized wave nature of electrons can become dominant in stimulated interactions. In addition to prospects for known applications of the Cherenkov effect, our work provides a platform for utilizing quantum electrodynamics for applications in electron microscopy and in free-electron pump-probe spectroscopy.

研究の動機と目的

• 古典的電磁力学を越えて、チェレンコフ効果の量子的性質を実証すること。
• 長距離にわたって相対論的電子波動関数と伝搬する光波の間で位相一致を達成すること。
• 量子状態における電子が、光子をコherentに励起放出および吸収できることを観測すること。
• 電子顕微鏡およびポンプ・プローブ分光法における量子電磁力学に基づく応用の基盤を確立すること。

提案手法

• 超高速透過電子顕微鏡を用いて、相対論的電子がフォトニクスナノ構造と相互作用する様子を画像化した。
• 数百ミクロンにわたってチェレンコフの位相一致条件を満たすように、電子ビームおよびフォトニクスモードを設計した。
• 時間分解型電子回折およびエネルギー分析を用いて、電子波動関数のエネルギー状態の時間発展を測定した。
• 電子エネルギースペクトルにコherentなプラトーが形成されたことを測定し、同期的な光子放出・吸収を示した。
• 高分解能エネルギー分光法により、量子化されたエネルギーピークの存在を確認した。
• 電子の位相速度とフォトニクスモードの位相速度を調整することで、位相一致を維持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子-光波相互作用を通じて、チェレンコフ効果の量子的性質を実験的に観測できるか？
• RQ2 位相一致した電子-光波系において、コherentで励起された光子の放出・吸収は可能か？
• RQ3 量子電磁力学の条件下で、電子波動関数が周波数コンブに類似した量子化されたエネルギープラトーへと進化できるか？
• RQ4 電子の非局在的波動的性質は、光との強いコherent相互作用において果たす役割は何か？
• RQ5 位相一致した電子-光波相互作用は、電子顕微鏡および分光法における新たな量子ベースの応用を可能にするか？

主な発見

• 超高速透過電子顕微鏡において、相対論的電子波動関数と光波の間で、数百ミクロンにわたって位相一致が達成され、維持された。
• 各電子は、同時に数百個の光子をコherentに放出・吸収することで、加速および減速した。
• 電子波動関数は、周波数コンブに類似した数百個の量子化されたエネルギーピークを持つコherentなエネルギープラトーへと進化した。
• 観測されたプラトー構造は、チェレンコフ効果の量子的性質を直接示す証拠となった。
• 相互作用の強度とコherencyは、電子の非局在的波動的性質が、励起された電子-光波相互作用において支配的であることを示した。
• 本結果は、量子電磁力学に基づく光源設計およびフリーエレクトロンポンプ・プローブ分光法のための新基盤を確立した。