新しい方法は、電子顕微鏡やその他の技術の鍵となる、一種の電子-光子結合からの発光を 100 倍に増加させることができます。 — サイエンスデイリー

電子が光のフォトンと相互作用する方法は、レーザーからソーラー パネル、LED に至るまで、多くの最新技術の重要な部分です。 しかし、スケールの大きな不一致のため、相互作用は本質的に弱いものです。可視光の波長は電子の約 1,000 倍大きいため、2 つのものが互いに影響を与える方法は、その不一致によって制限されます。

現在、MIT などの研究者は、スミス-パーセル放射と呼ばれる現象からの光の放出を 100 倍に増加させる過程で、光子と電子の間のはるかに強力な相互作用を可能にする革新的な方法を考え出しました。 この発見は、商用利用と基礎科学研究の両方に影響を与える可能性がありますが、実用化するにはさらに何年もの研究が必要です。

調査結果は本日、ジャーナルで報告されます 自然MIT ポスドクの Yi Yang (現在は香港大学の助教授) と Charles Roques-Carmes、MIT の Marin Soljacić 教授と John Joannopoulos 教授、および MIT、ハーバード大学、Technion-Israel Institute ofテクノロジー。

コンピューター シミュレーションと実験室での実験を組み合わせた結果、チームは電子ビームを特別に設計されたフォトニック結晶 (絶縁体上のシリコンのスラブで、ナノメートル スケールの穴の配列でエッチングされたもの) と組み合わせて使用​​することで、次のことができることを発見しました。理論的には、従来のスミス-パーセル放射で通常可能であるよりも何桁も強い放射を予測します。 彼らはまた、概念実証測定で、放射線が 100 倍に増加したことを実験的に記録しました。

光源やその他の電磁放射を生成する他のアプローチとは異なり、自由電子ベースの方法は完全に調整可能です。フォトニック構造のサイズと電子の速度を調整するだけで、任意の波長の放射を生成できます。 これは、テラヘルツ波、紫外光、X線など、効率的に生成するのが難しい波長の放射源を作るのに特に価値があるかもしれません.

チームはこれまで、再利用された電子顕微鏡を電子ビーム源として機能させることで、放出が 100 倍に増強されることを実証しました。 しかし、彼らは、関連する基本原理により、この機能に特に適合したデバイスを使用して、はるかに優れた機能強化を可能にする可能性があると述べています.

このアプローチは、フラットバンドと呼ばれる概念に基づいています。これは、近年、凝縮物質物理学とフォトニクスで広く調査されていますが、光子と自由電子の基本的な相互作用に影響を与えるために適用されることはありませんでした。 根底にある原理には、電子から光子グループへの運動量の移動、またはその逆が含まれます。 従来の光と電子の相互作用は、単一の角度で光を生成することに依存していますが、フォトニック結晶は、あらゆる範囲の角度の生成を可能にするように調整されています。

同じプロセスを反対方向に使用することもできます。共鳴光波を使用して電子を推進し、チップ上に小型化された粒子加速器を構築するために利用できる可能性がある方法で速度を上げます。 これらは最終的に、スイスの幅 30 キロメートルの大型ハドロン衝突型加速器など、現在巨大な地下トンネルを必要とするいくつかの機能を実行できるようになる可能性があります。

「実際にチップ上に電子加速器を作ることができれば」とソリャチッチは言う。これらの巨大な施設を建設する必要はありません。」

Roques-Carmes 氏によると、この新しいシステムは、放射線治療の目的で高度に制御可能な X 線ビームを提供する可能性もあるという。

また、このシステムを使用して、量子ベースのコンピューティングおよび通信システムの作成に役立つ可能性のある量子効果である、複数の絡み合った光子を生成できる可能性があると、研究者は述べています。 「電子を使って多くの光子を結合することができますが、純粋に光学的なアプローチを使用する場合、これはかなり難しい問題です」とヤンは言います。 「これは、私たちの仕事の最もエキサイティングな将来の方向性の 1 つです。」

これらの新しい発見を実用的なデバイスに変換するには、多くの作業が残っている、と Soljacić 氏は警告しています。 光学部品と電子部品の間に必要なインターフェースを開発し、単一のチップ上でそれらを接続する方法を開発し、他の課題の中でも特に、連続波面を生成する必要なオンチップ電子源を開発するには、数年かかる可能性があります。

Roques-Carmes 氏は、「これがエキサイティングな理由は、これがまったく異なるタイプのソースだからです」と付け加えています。 光を生成するためのほとんどの技術は, 非常に特定の範囲の色や波長に制限されており, 通常その発光周波数を動かすことは困難です. ここでは完全に調整可能です. 電子の速度を変えるだけで, 発光周波数を変えることができます.これらのソースの可能性について私たちは興奮しています.それらは異なるため、新しいタイプの機会を提供します.”

しかし、Soljačić は次のように結論付けています。少なくともいくつかの放射線の領域。」

研究チームには、MIT の兵士ナノテクノロジー研究所の Steven Kooi、ハーバード大学の Haoning Tang と Eric Mazur、MIT の Justin Beroz、Technion-Israel Institute of Technology の Ido Kaminer も含まれていました。 この作業は、兵士ナノテクノロジー研究所、米国空軍科学研究局、および米国海軍研究局を通じて、米国陸軍研究局によって支援されました。

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