[论文解读] Coherent interaction between free electrons and cavity photons

Kangpeng Wang, Raphael Dahan+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

Mechanical and Optical Resonators被引用 8

一句话总结

该论文首次实现了自由电子与腔光子之间的相干相互作用，建立了一个基于自由电子的纳米尺度腔量子电动力学（CQED）平台。通过使用自由电子作为探针，作者直接测量了腔光子寿命，并将电子-光子相互作用强度提升了超过一个数量级，为量子信息处理以及对束敏感材料的超快、低剂量成像开辟了新途径。

ABSTRACT

Since its inception, research of cavity quantum electrodynamics (CQED) has extended our understanding of light-matter interactions and our ability to utilize them. Thus far, all the work in this field has been focused on light interacting with bound electron systems - such as atoms, molecules, quantum dots, and quantum circuits. In contrast, markedly different physical phenomena are found in free-electron systems, the energy distribution of which is continuous and not discrete, implying tunable transitions and selection rules. In addition to their uses for electron microscopy, the interaction of free electrons with light enables important phenomena such as Cherenkov radiation, Compton scattering, and free-electron lasing. However, no experiment has shown the integration of free electrons into the framework of CQED, because the fundamental electron-light interaction is limited in strength and lifetime. This limit explains why many phenomena have remained out of reach for experiments with free electrons. In this work, we developed the platform for studying CQED at the nanoscale with free electrons and demonstrated it by observing their coherent interaction with cavity photons for the first time. We also directly measure the cavity photon lifetime via a free electron probe and show more than an order of magnitude enhancement in the electron-photon interaction strength. These capabilities may open new paths toward using free electrons as carriers of quantum information, even more so after strong coupling between free electrons and cavity photons will have been demonstrated. Efficient electron-cavity photon coupling could also allow new nonlinear phenomena of cavity opto-electro-mechanics and the ultrafast exploration of soft matter or other beam-sensitive materials using low electron current and low laser exposure.

研究动机与目标

• 将腔量子电动力学（CQED）从束缚电子体系扩展到具有连续能谱的自由电子体系。
• 克服自由电子体系中电子-光子耦合弱和相互作用寿命短的根本性挑战。
• 开发一个纳米尺度平台，实现自由电子与光子之间的相干、可调谐且可测量的相互作用，以支持量子技术。
• 利用自由电子作为探针直接测量腔光子寿命，从而对腔动力学提供新见解。
• 将电子-光子相互作用强度提升一个数量级以上，以期在量子信息和超快显微技术中实现潜在应用。

提出的方法

• 利用纳米尺度光子腔限制光子，实现强光场限制，从而增强与自由电子的相互作用。
• 采用自由电子束作为相干探针，与腔光子相互作用，并通过能量交换测量光子寿命。
• 通过调控电子束和腔体几何结构，实现自由电子与腔模之间的共振耦合。
• 通过测量电子与光子之间的能量转移，推断腔光子寿命和相互作用强度。
• 优化系统以实现电子能量和腔共振的可调谐性，从而研究选择定则和跃迁动力学。
• 将量子电动力学原理应用于自由电子体系，将CQED概念从束缚态扩展至更广范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在纳米尺度CQED平台上实验实现自由电子与腔光子之间的相干相互作用？
• RQ2 在自由电子-腔体系中，电子-光子相互作用的有效强度是多少？是否可显著增强？
• RQ3 能否利用自由电子作为探针直接测量腔光子的寿命？
• RQ4 自由电子的连续能谱及其可调谐跃迁如何影响电子-光子耦合的选择定则？
• RQ5 强电子-光子耦合对量子信息处理和低剂量超快成像有何影响？

主要发现

• 首次在纳米尺度CQED平台上实现了自由电子与腔光子之间相干相互作用的实验演示。
• 通过自由电子探针直接测量了腔光子寿命，为腔的质量和动力学提供了定量基准。
• 与以往基于自由电子的方案相比，电子-光子相互作用强度提升了超过一个数量级。
• 自由电子的连续能谱使其具备可调谐跃迁特性，并与束缚电子体系相比表现出不同的选择定则。
• 该平台为量子信息处理提供了潜在应用前景，尤其在后续实现强耦合后更具潜力。
• 该方法可实现超快、低电流、低激光照射条件下的软物质和束敏感材料探索。