Vëzhgimi i parë i fenomenit të rrezatimit Cherenkov në hapësirën 2D

Studiuesit nga Fakulteti i Inxhinierisë Elektrike dhe Kompjuterike Andrew dhe Erna Viterbi në Institutin e Teknologjisë Technion-Izrael kanë paraqitur vëzhgimin e parë eksperimental të rrezatimit Cherenkov të kufizuar në dy dimensione. Rezultatet përfaqësojnë një rekord të ri në forcën e bashkimit të rrezatimit elektron, duke zbuluar vetitë kuantike të rrezatimit.

Rrezatimi Cherenkov është një fenomen fizik unik, i cili për shumë vite është përdorur në imazhet mjekësore dhe në aplikimet e zbulimit të grimcave, si dhe në përshpejtuesit elektron të drejtuar nga lazer. Përparimi i arritur nga studiuesit e Technion e lidh këtë fenomen me aplikacionet e ardhshme të llogaritjes kuantike fotonike dhe burimet e dritës kuantike me elektron të lirë.

Studimi, i cili u botua në Physical Review X, u drejtua nga Ph.D. studentët Yuval Adiv dhe Shai Tsesses nga Technion, së bashku me Hao Hu nga Universiteti Teknologjik Nanyang në Singapor (sot profesor në universitetin Nanjing në Kinë). Ai u mbikëqyr nga Prof. Ido Kaminer dhe Prof. Guy Bartal i Technion, në bashkëpunim me kolegët nga Kina: Prof. Hongsheng Chen dhe Prof. Xiao Lin nga Universiteti Zhejiang.

Ndërveprimi i elektroneve të lira me dritën qëndron në themel të shumë fenomeneve të njohura të rrezatimit dhe ka çuar në aplikime të shumta në shkencë dhe industri. Një nga efektet më të rëndësishme të ndërveprimit është rrezatimi Cherenkov – rrezatimi elektromagnetik i emetuar kur një grimcë e ngarkuar, siç është një elektron, udhëton nëpër një mjedis me një shpejtësi më të madhe se shpejtësia fazore e dritës në atë mjedis specifik. Është ekuivalenti optik i një bumi supersonik, i cili ndodh, për shembull, kur një avion udhëton më shpejt se shpejtësia e zërit. Rrjedhimisht, rrezatimi Cherenkov quhet ndonjëherë një “valë goditëse optike”. Fenomeni u zbulua në vitin 1934. Në vitin 1958, shkencëtarët që e zbuluan atë iu dha Çmimi Nobel në Fizikë.

Që atëherë, gjatë më shumë se 80 viteve të kërkimit, hetimi i rrezatimit Cherenkov çoi në zhvillimin e një sërë aplikacionesh, shumica e tyre për detektorë të identifikimit të grimcave dhe imazhe mjekësore. Megjithatë, megjithë preokupimin intensiv me fenomenin, pjesa më e madhe e kërkimeve teorike dhe të gjitha demonstrimeve eksperimentale kishin të bënin me rrezatimin Cherenkov në hapësirën tredimensionale dhe e bazuan përshkrimin e tij në elektromagnetizmin klasik.

Tani, studiuesit e Technion paraqesin vëzhgimin e parë eksperimental të rrezatimit 2D Cherenkov, duke demonstruar se në hapësirën dy-dimensionale, rrezatimi sillet në një mënyrë krejtësisht të ndryshme – për herë të parë, përshkrimi kuantik i dritës është thelbësor për të shpjeguar rezultatet e eksperimentit.

Studiuesit krijuan një strukturë të veçantë shumështresore që mundëson ndërveprimin midis elektroneve të lira dhe valëve të dritës që udhëtojnë përgjatë një sipërfaqeje. Inxhinieria e zgjuar e strukturës lejoi një matje të parë të rrezatimit 2D Cherenkov. Dimensioniteti i ulët i efektit lejoi një vështrim të shkurtër në natyrën kuantike të procesit të emetimit të rrezatimit nga elektronet e lira: një numërim i numrit të fotoneve (grimca kuantike të dritës) të emetuara nga një elektron i vetëm dhe dëshmi indirekte e ngatërrimit të elektroneve. me valët e dritës që lëshojnë.

Në këtë kontekst, “ngatërrim” nënkupton korrelacionin midis vetive të elektronit dhe atyre të dritës së emetuar, e tillë që matja e njërës jep informacion për tjetrin. Vlen të përmendet se Çmimi Nobel për Fizikë 2022 u dha për kryerjen e një sërë eksperimentesh që demonstrojnë efektet e ndërthurjes kuantike (në sisteme të ndryshme nga ato të demonstruara në hulumtimin aktual).

Yuval Adiv thotë: “Rezultati i studimit që na befasoi më shumë ka të bëjë me efikasitetin e emetimit të rrezatimit elektronik në eksperiment: ndërsa eksperimentet më të avancuara që i paraprinë këtij të tanishmit arritën një regjim në të cilin përafërsisht vetëm një elektron në njëqind emetohet. rrezatimi, këtu, ne arritëm të arrijmë një regjim ndërveprimi në të cilin çdo elektron emetonte rrezatim. Me fjalë të tjera, ne ishim në gjendje të demonstronim një përmirësim mbi dy rend të madhësisë në efikasitetin e ndërveprimit (i quajtur edhe forca e bashkimit). Ky rezultat ndihmon avancojnë zhvillimet moderne të burimeve efikase të rrezatimit të drejtuar nga elektronet.”

Prof. Kaminer thotë, “Rrezatimi i emetuar nga elektronet është një fenomen i vjetër që është hulumtuar për më shumë se 100 vjet dhe është asimiluar në teknologji shumë kohë më parë, si shembull është furra me mikrovalë shtëpiake. Për shumë vite, dukej se ne kishim tashmë zbuloi gjithçka që duhej të dinim rreth rrezatimit elektronik, dhe kështu, ideja se ky lloj rrezatimi tashmë ishte përshkruar plotësisht nga fizika klasike u rrënjos.Në kontrast të mrekullueshëm me këtë koncept, aparati eksperimental që ndërtuam lejon natyrën kuantike të rrezatimit elektronik për t’u zbuluar.

“Eksperimenti i ri që u publikua tani eksploron natyrën kuantike-fotonike të rrezatimit elektronik. Eksperimenti është pjesë e një ndryshimi paradigme në mënyrën se si ne e kuptojmë këtë rrezatim, dhe më gjerësisht, marrëdhënien midis elektroneve dhe rrezatimit që ata lëshojnë. Për shembull , ne tani e kuptojmë se elektronet e lira mund të ngatërrohen me fotonet që lëshojnë. Është befasuese dhe emocionuese të shohësh shenja të këtij fenomeni në eksperiment.”

Shai Tsesses thotë, “Në eksperimentin e ri të Yuval Adiv ne i detyruam elektronet të udhëtonin në afërsi me një sipërfaqe fotoniko-plazmonike që unë e planifikova bazuar në një teknikë të zhvilluar në laboratorin e Prof. Guy Bartal. Shpejtësia e elektroneve u vendos me saktësi për të marrë një forca e madhe bashkuese, më e madhe se ajo e fituar në situata normale, ku bashkimi është me rrezatim në tredimensione. Në zemër të procesit, ne vëzhgojmë natyrën kuantike spontane të emetimit të rrezatimit, të përftuar në paketa diskrete të energjisë të quajtura fotone. Në këtë Në mënyrë, eksperimenti hedh dritë të re mbi natyrën kuantike të fotoneve.”