近日，北京大學(xué)物理學(xué)院現(xiàn)代光學(xué)研究所、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心 “極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”劉運(yùn)全教授課題組在光場與自由電子相互作用的研究中，理論上首次提出了利用拓?fù)?span onclick="sendmsg('pw_ajax.php','action=relatetag&tagname=光子',this.id)" style="cursor:pointer;border-bottom: 1px solid #FA891B;" id="rlt_12">光子學(xué)提高光與自由電子的相互作用強(qiáng)度。2024年2月15日，相關(guān)研究成果以“拓?fù)浔Ｗo(hù)的光子-自由電子強(qiáng)相互作用”（Topologically Protected Strong Interaction of Photonics with Free Electrons）為題，在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

光與電子的相互作用是物理學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一。由于能量-動量不匹配，自由電子和光子不能在自由空間中直接耦合。2009年，Zewail等人在光誘導(dǎo)近場顯微術(shù)（PINEM）實(shí)驗(yàn)中，通過電子與納米結(jié)構(gòu)附近的近場相互作用，展示了自由電子可吸收或釋放光子，產(chǎn)生具有等距單光子能量間隔的能譜。這種類型相互作用使得PINEM成為研究納米尺度超快動力學(xué)的有力工具。PINEM已被應(yīng)用于時(shí)間分辨成像、重構(gòu)光子晶體色散關(guān)系及其Bloch模式，測量模式壽命等，以及被應(yīng)用于研究自由電子波包整形、自由電子梳、阿秒電子脈沖列和量子光學(xué)研究等。

但在PINEM實(shí)驗(yàn)中，電子-近場之間的耦合強(qiáng)度較弱。如果通過增加激光功率來增強(qiáng)相互作用，則會導(dǎo)致不可逆的樣品損傷。人們提出了利用棱鏡表面的倏逝行波增加光與近場的相互作用長度。然而，這種方法依賴于自由電子波包與泵浦光脈沖之間的時(shí)間同步以及相位匹配條件，自由電子與局域電磁場之間的耦合仍然很弱。另外一方面，拓?fù)涔庾訉W(xué)是研究光在拓?fù)浞瞧接菇橘|(zhì)中傳播特性的領(lǐng)域，它利用數(shù)學(xué)中拓?fù)涞母拍顏碓O(shè)計(jì)具有特殊傳輸特性的光學(xué)結(jié)構(gòu)。拓?fù)浣菓B(tài)是一種高階的拓?fù)鋺B(tài)，指的是在二維或三維光子晶體角落處局域化的光模式。這些模式由系統(tǒng)拓?fù)洳蛔冃员Ｗo(hù)，因而對結(jié)構(gòu)缺陷和外在微擾不敏感。這種特性使得拓?fù)浣菓B(tài)在光學(xué)隔離器、傳感器以及激光器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。

劉運(yùn)全課題組在理論上首次提出了利用拓?fù)涔庾訉W(xué)來提高光與自由電子的相互作用強(qiáng)度。課題組基于超快電子顯微鏡系統(tǒng)[圖1. (a)], 設(shè)計(jì)了一種共振波長在近紅外區(qū)域的拓?fù)浼{腔，其光子能帶如圖1. (b)，在共振波長激發(fā)下，計(jì)算獲得角態(tài)和體態(tài)的電場分布[如圖1. (c)和(d)]。研究表明，由于拓?fù)浣菓B(tài)的局域場增強(qiáng)效應(yīng)[見圖1. (c)，角態(tài)的場分布]和高品質(zhì)因子，可大大增強(qiáng)光學(xué)準(zhǔn)粒子與自由電子之間的強(qiáng)相互作用。同時(shí)因?yàn)榻菓B(tài)具有拓?fù)浔Ｗo(hù)和小模式體積，無需零延時(shí)和相位匹配，即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)相互作用，為PINEM裝置開展光子-電子強(qiáng)相互作用研究奠定基礎(chǔ)。

課題組還研究了由兩束激光激發(fā)的拓?fù)浼{腔與電子的相互作用，發(fā)現(xiàn)自由電子波函數(shù)可以通過拓?fù)淝恍��?yīng)進(jìn)行相干整形，這可用于控制自由電子的量子電動力學(xué)過程 [見圖2]。值得注意的是，由于拓?fù)浣菓B(tài)的長壽命，理論上還可以使用連續(xù)激光增加相互作用強(qiáng)度。研究發(fā)現(xiàn)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，還可以提高單光子-單電子耦合系數(shù)，拓?fù)浔Ｗo(hù)下光子-電子相互作用有望用于自由電子量子光學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示。此外，他們還指出若使用低能量電子脈沖，在非反沖近似條件下，角態(tài)的橫向分量也可以被用來控制和增強(qiáng)相互作用，從而用于自由電子波函數(shù)的整形。

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圖1.(a) 自由電子與拓?fù)浼{腔相互作用的示意圖；(b) 光子晶體的能帶圖；(c) 角態(tài)的場分布；(d) 體態(tài)的場分布

圖片:780c715c2912416aa9b6842c24348fe2.png

圖2.(a) 自由電子與被兩個(gè)相隔時(shí)間t的激光脈沖激發(fā)的拓?fù)浼{腔相互作用后的能量損失譜圖；(b) 相互作用系數(shù)隨著電子脈沖與第一束激光脈沖間的延遲時(shí)間變化圖

北京大學(xué)物理學(xué)院2021級博士研究生李靖為研究論文第一作者，劉運(yùn)全為該論文的通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京量子信息研究院、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。

相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.073801