[论文解读] 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 8

一句话总结

本文展示了通过在轫致辐射过程中利用电子波函数的干涉，可以控制自由电子的自发辐射。通过设计电子动量的叠加态，辐射振幅的干涉导致可测量的、非加性的辐射模式，从而实现对电磁谱中经典光发射的量子控制。

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.

研究动机与目标

• 确定塑造电子波函数是否会影响自由电子的自发辐射，从而挑战经典假设中的非相干性。
• 研究电子的量子叠加态是否会在发射辐射中产生可观测的干涉效应，尽管自发辐射本质上是非相干的。
• 建立一个理论框架，通过在电子-原子散射过程中相干操控电子波函数来控制光发射。
• 证明来自叠加电子态的辐射振幅干涉会导致发射谱和角分布的非平凡、可测量的修改。

提出的方法

• 通过库仑势建模电子与固定质子的散射，初始态为两个动量本征态的叠加，具有相对相位 ξ。
• 使用量子电动力学中的时间有序微扰论计算光子发射的S矩阵元，包含电子自旋和光子极化。
• 利用费曼规则推导轫致辐射的矩阵元 iℳ，包含传播子和顶点因子，并通过δ函数强制满足动量守恒。
• 通过平方矩阵元并平均初始自旋、求和最终自旋和光子极化，计算微分截面。
• 对末态电子动量和光子立体角进行积分，得到单位频率和立体角的微分散射率。
• 证明S矩阵平方中的干涉项导致非加性的辐射模式，与各独立态的非相干和明显不同。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子波函数的相干叠加是否会导致自由电子自发辐射中产生可观测的干涉效应？
• RQ2 叠加态的辐射模式与各分量非相干和相比是否有显著差异？
• RQ3 发射辐射在多大程度上依赖于叠加电子动量态之间的相对相位？
• RQ4 辐射振幅中的干涉是否能够实现对发射光方向性和光谱分布的控制？
• RQ5 是否可能通过工程化电子波函数，在经典上非相干的过程中实现确定性的、量子调制的光发射？

主要发现

• 辐射振幅中的干涉效应导致微分散射率非加性，S矩阵平方中的交叉项对总功率有显著贡献。
• 发射辐射模式依赖于叠加动量态之间的相对相位 ξ，从而可主动调控辐射的角分布和光谱特性。
• 当叠加的两个分量均能为同一末态光子满足能量-动量守恒时，会产生非零干涉项，从而实现相长或相消干涉。
• 微分散射截面依赖于矩阵元 |iℳ|²，后者包含来自两个电子动量分量的干涉贡献。
• 最终发射率对电子自旋和光子极化敏感，总截面通过对此类自由度的平均和求和获得。
• 结果表明，电子波函数中的量子相干性可被利用来控制经典光发射过程，为宽带辐射的量子控制开辟新途径。