电子与的光子相互作用是许多现代技术的关键部分，从激光到太阳能电池板再到 LED（发光二极体）上亦然。但尺度上的不兼容削弱了它们之间相互作用的强度：可见光的波长大约为电子尺度的一千倍，两者差距甚大，其相互影响的方式因而受到这种差异所限制。

近日，来自香港大学（港大）和麻省理工学院的研究人员以及他们的合作伙伴提出了一种创新方法，可以使光子和电子之间的相互作用加强。在这个研究过程中，一种名为“史密斯-珀塞尔辐射”(Smith-Purcell radiation)的光发射过程增强了达百倍之多。此发现有望对基础研究和潜在应用产生影响，尽管后者需要更多研究才有机会实用化。

该研究结果刚刊于权威学术期刊《自然》（Nature）上，论文作者包括港大理学院物理学系助理教授（前麻省理工学院博士后）杨易博士、麻省理工学院博士后研究员 Charles ROQUES-CARMES、Marin SOLJAČIĆ教授 和 John JOANNOPOULOS教授、麻省理工其他成员Steven KOOI和Justin BEROZ、哈佛大学的 Haoning TANG 和 Eric MAZUR，及以色列理工学院的 Ido KAMINER。

结合计算机模拟和实验，研究小组发现，通过将电子束与特殊设计的光子晶体（绝缘体上刻有纳米级孔阵列的矽片）结合使用，“史密斯-珀塞尔辐射”可以在理论上实现较传统过程高达几个量级的强度；他们的原理验证实验则记录约两个数量级的辐射增强。

与其他产生光源或电磁辐射的方法不同，研究中基于自由电子的方法是完全可以调控的——只要调整光子结构的大小和电子的速度，便可以产生任何波长的射线。在电磁波谱中，一些射线（包括太赫兹波、紫外线和 X 射线）因缺少辐射源技术而难以放射，该发现有望为这些区域提供基于自由电子的光源方案。

在原理验证实验中，团队利用电子显微镜测量平台观测到约两个量级的辐射增强。在未来的辐射器件中，同样的基本原理可能实现更大的增强效应。该原理基于平坦能带（Flatbands）的物理概念。平坦能带是近年来在凝聚态物理和光子学中的研究热点，但尚未应用于光子和自由电子的相互作用。该作用过程涉及动量在电子与光子之间的匹配，传统的光-自由电子相互作用依赖於单一横模的光，而基于平带的光子晶体调谐方式使其能够同时以相同的频率产生一系列横向模式。

同样的原理也可以用于时间反演的物理过程，即是用共振光波在芯片上构建微型粒子加速器的方式来推动电子。此功能或许最终能够替代巨型地下隧道（例如瑞士 30 公里宽的大型强子对撞机）的部分功能。“基于集成芯片的电子加速器有望产生高速的电子用于放射治疗等应用，因此把加速器微型化有着非凡的意义。”麻省理工学院Soljačić教授说。

研究团队表示，该系统有望用于产生多种纠缠光子，用于创建基于量子的计算和通信系统。 港大物理学系杨易博士表示：“自由电子可以将许多光量子耦合在一起，这在纯光学方案中有着相当大的实现难度。因此这一电子-光子复合方案是令人兴奋的未来研究方向之一。”

Roques-Carmes补充道：“这是一种截然不同的方式，虽然大多数用于产生光的技术都仅限于特定的波长范围，并通常较难改变发射频率，但在此研究中它是完全可以调控的 — 只须改变电子的速度，就可以改变发射频率， 这让我们对这些新型光源的潜力抱有期望。”

为了实用化这一方案，一系列挑战仍须克服，例如开发光学和电子元件之间的必要接口（尤其是在芯片上）和开发与合适连续波前耦合的电子源。团队预计两年到五年内，该方案有望在某些辐射波段产生竞争力。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。