來自以色列理工學院（Technion – Israel Institute of Technology）安德魯和埃爾納-維特比（Andrew and Erna Viterbi）電氣和計算機工程學院的研究人員提出了有史以來第一次對限制在二維空間內的切倫科夫輻射的實驗觀察。該結果令人驚訝，因為它們創造了電子-輻射耦合強度的新紀錄，並揭示了輻射的量子特性。

一個自由電子在研究人員設計的特殊分層結構上方傳播，其上方只有幾十納米。在其運動過程中，電子發射出被稱為”光子”的離散輻射包。在電子和它所發射的光子之間，形成了一種”量子糾纏”的聯繫。資料來源：Ella Maru工作室

切倫科夫輻射是一種獨特的物理現象，多年來一直被用於醫學成像、粒子探測和激光驅動的電子加速器。來自以色列理工學院的研究人員將這種現象與未來在光子量子計算和自由電子量子光源方面的潛在應用聯繫起來。

這項研究發表在《物理評論X》上，由以色列理工學院的博士生Yuval Adiv和Shai Tsesses與新加坡南洋理工大學的吳昊（現在是中國南京大學的教授）共同領導。該項目由以色列理工學院的Ido Kaminer教授和Guy Bartal教授監督，並與中國的同事合作： 陳紅生教授和浙江大學的肖林教授。

自由電子與光的相互作用是大量已知輻射現象的基礎，並導致了科學和工業領域的眾多應用。這些相互作用效應中最重要的一個是切倫科夫輻射–當一個帶電粒子，如電子，以大於該特定介質中的光相速度的速度穿過介質時發出的電磁輻射。

它相當於超音速轟鳴的光學效果，例如，當噴氣機的速度超過音速時，就會出現這種情況。因此，切倫科夫輻射有時被稱為”光學衝擊波”。這一現像是在1934年發現的。1958年，發現它的科學家被授予諾貝爾物理學獎。

從那時起，在超過80年的研究中，對切倫科夫輻射的研究帶來了豐富的應用的發展，其中大部分用於粒子識別探測器和醫學成像。然而，儘管人們對這一現象非常關注，但大部分理論研究和所有的實驗證明都涉及三維空間中的切倫科夫輻射，並基於經典電磁學進行描述。

現在，以色列理工學院的研究人員首次提出了二維切倫科夫輻射的實驗觀察，證明了在二維空間中，輻射的行為方式完全不同–第一次，光的量子描述對於解釋實驗結果至關重要。

研究人員設計了一種特殊的多層結構，使自由電子和沿表面傳播的光波之間能夠相互作用。該結構的智能工程允許首次測量二維切倫科夫輻射。該效應的低維度使人們得以一窺自由電子輻射過程的量子性質：對單個電子發出的光子（光的量子粒子）的數量進行計數，並間接證明電子與它們發出的光波的糾纏。

在這種情況下，”糾纏”意味著電子的屬性和所發射的光的屬性之間的”相關性”，這樣，測量一個就能提供另一個的信息。值得注意的是，2022年的諾貝爾物理學獎是為證明量子糾纏的效果的一系列實驗的表現而頒發的（在與本研究中所展示的系統不同）。

據尤瓦爾-阿迪夫說：”最讓我們吃驚的研究結果涉及實驗中電子輻射發射的效率：在本實驗之前的最先進的實驗實現了大約一百個電子中只有一個電子發射輻射的製度，而在這裡，我們成功地實現了每個電子都發射輻射的互動制度。換句話說，我們能夠證明互動效率（也稱為”耦合強度”）提高了兩個數量級以上。這一結果有助於推動高效電子驅動輻射源的現代發展。”

Kaminer教授評論說：”電子發射的輻射是一種’古老’的現象，已經被研究了一百多年，並在很久以前就被技術所吸收，家用微波爐就是一個例子。許多年來，我們似乎已經發現了關於電子輻射的一切，因此，這種輻射已經被經典物理學完全描述的想法變得根深蒂固。與這種觀念形成鮮明對比的是，我們建造的實驗儀器使電子輻射的量子性質得到了揭示。現在發表的新實驗探討了電子輻射的量子-光子性質。這個實驗是我們理解這種輻射，以及更廣泛地理解電子和它們所發出的輻射之間關係的範式轉變的一部分。例如，我們現在了解到，自由電子可以與它們發射的光子糾纏在一起。在實驗中看到這種現象的跡象，既令人驚訝又令人激動”。

據Shai Tsesses說：”在Yuval Adiv的新實驗中，我們強迫電子在一個光子-等離子體表面附近旅行，我根據Guy Bartal教授的實驗室開發的技術計劃了這個實驗。電子的速度被準確地設定為獲得一個大的耦合強度，比在正常情況下獲得的耦合強度要大，因為耦合是在三維空間的輻射。在這個過程的核心，我們觀察到輻射發射的自發量子性質，在被稱為光子的離散能量包中獲得。通過這種方式，該實驗對光子的量子性質有了新的認識。”