以色列理工学院 Andrew 和 Erna Viterbi 电气与计算机工程学院的研究人员首次展示了对二维空间内切伦科夫辐射的实验观察。结果令人惊讶，因为它们创造了电子-辐射耦合强度的新记录，并揭示了辐射的量子特性。

　　切伦科夫辐射是一种独特的物理现象，多年来一直用于医学成像、粒子检测和激光驱动电子加速器。Technion 的研究人员将这种现象与光子量子计算和自由电子量子光源的潜在未来应用联系起来。

　　该研究发表在Physical Review X上，由博士领导。来自以色列理工学院的学生 Yuval Adiv 和 Shai Tsesses，以及来自新加坡南洋理工大学的胡昊（现为中国南京大学教授）。它由以色列理工学院的 Ido Kaminer 教授和 Guy Bartal 教授指导，并与来自中国的同事：浙江大学的 Hongsheng Chen 教授和 Xiao Lin 教授合作。

　　自由电子与光的相互作用是大量已知辐射现象的基础，并已在科学和工业中得到大量应用。这些相互作用效应中最重要的一种是切伦科夫辐射——当带电粒子（例如电子）以大于光在特定介质中的相速度的速度穿过介质时发出的电磁辐射。

　　它是超音速爆炸的光学等价物，例如，当喷气式飞机的飞行速度超过声速时就会发生这种情况。因此，切伦科夫辐射有时被称为“光学冲击波”。该现象于1934年被发现。1958年，发现该现象的科学家获得了诺贝尔物理学奖。

　　从那时起，在 80 多年的研究中，切伦科夫辐射的研究导致了大量应用的发展，其中大部分用于粒子识别检测器和医学成像。然而，尽管人们对这种现象非常关注，但大部分理论研究和所有实验证明都涉及三维空间中的切伦科夫辐射，并基于经典电磁学对其进行描述。

　　现在，以色列理工学院的研究人员展示了对二维切伦科夫辐射的首次实验观察，证明在二维空间中，辐射以完全不同的方式表现——这是第一次，光的量子描述对于解释实验结果至关重要。

　　研究人员设计了一种特殊的多层结构，使自由电子和沿表面传播的光波之间能够相互作用。该结构的智能工程允许首次测量二维切伦科夫辐射。该效应的低维度让我们得以一窥自由电子辐射发射过程的量子性质：单个电子发射的光子（光的量子粒子）数量的计数和电子纠缠的间接证据与他们发出的光波。

　　在这种情况下，“纠缠”是指电子的属性与发射的光的属性之间的“相关性”，因此测量其中一个可以提供有关另一个的信息。值得注意的是，2022 年诺贝尔物理学奖授予了一系列证明量子纠缠效应的实验（在与本研究中证明的系统不同的系统中）。

　　根据 Yuval Adiv 的说法：“最让我们惊讶的研究结果涉及实验中电子辐射发射的效率：而在本实验之前最先进的实验实现了一个机制，在该机制中，一百个电子中大约只有一个电子发射的辐射，在这里，我们成功地实现了每个电子都发射辐射的相互作用机制。换句话说，我们能够证明交互效率（也称为“耦合强度”）提高了两个数量级以上。这一结果有助于推进高效电子驱动辐射源的现代发展。”

　　卡米纳教授评论说：“电子辐射是一种‘古老’的现象，人们研究了一百多年，很久以前就融入了技术，家用微波炉就是一个例子。多年来，我们似乎已经发现了关于电子辐射的一切知识，因此，这种辐射已经被经典物理学充分描述的想法变得根深蒂固。与这个概念形成鲜明对比的是，我们建造的实验装置可以揭示电子辐射的量子性质。现在发表的新实验探索了电子辐射的量子光子性质。

　　他继续说道，“该实验是我们理解这种辐射方式的范式转变的一部分，更广泛地说，是电子与它们发出的辐射之间的关系。例如，我们现在了解到自由电子会与它们发射的光子纠缠在一起。在实验中看到这种现象的迹象既令人惊讶又令人兴奋。”

　　根据 Shai Tsesses 的说法，“在 Yuval Adiv 的新实验中，我们迫使电子在我根据 Guy Bartal 教授实验室开发的技术计划的光子等离子体表面附近移动。电子速度被精确设置以获得较大的耦合强度，大于在正常情况下获得的耦合强度，在正常情况下耦合是在三个维度上的辐射。在这个过程的核心，我们观察到辐射发射的自发量子性质，这是在称为光子的离散能量包中获得的。通过这种方式，该实验为光子的量子性质提供了新的思路。”