来自以色列理工学院（Technion - Israel Institute of Technology）安德鲁和埃尔纳-维特比（Andrew and Erna Viterbi）电气和计算机工程学院的研究人员提出了有史以来第一次对限制在二维空间内的切伦科夫辐射的实验观察。该结果令人惊讶，因为它们创造了电子-辐射耦合强度的新纪录，并揭示了辐射的量子特性。

一个自由电子在研究人员设计的特殊分层结构上方传播，其上方只有几十纳米。在其运动过程中，电子发射出被称为 "光子 "的离散辐射包。在电子和它所发射的光子之间，形成了一种 "量子纠缠 "的联系。资料来源：Ella Maru工作室

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切伦科夫辐射是一种独特的物理现象，多年来一直被用于医学成像、粒子探测和激光驱动的电子加速器。来自以色列理工学院的研究人员将这种现象与未来在光子量子计算和自由电子量子光源方面的潜在应用联系起来。

这项研究发表在《物理评论X》上，由以色列理工学院的博士生Yuval Adiv和Shai Tsesses与新加坡南洋理工大学的吴昊（现在是中国南京大学的教授）共同领导。该项目由以色列理工学院的Ido Kaminer教授和Guy Bartal教授监督，并与中国的同事合作： 陈红生教授和浙江大学的肖林教授。

自由电子与光的相互作用是大量已知辐射现象的基础，并导致了科学和工业领域的众多应用。这些相互作用效应中最重要的一个是切伦科夫辐射--当一个带电粒子，如电子，以大于该特定介质中的光相速度的速度穿过介质时发出的电磁辐射。

它相当于超音速轰鸣的光学效果，例如，当喷气机的速度超过音速时，就会出现这种情况。因此，切伦科夫辐射有时被称为"光学冲击波"。这一现象是在1934年发现的。1958年，发现它的科学家被授予诺贝尔物理学奖。

从那时起，在超过80年的研究中，对切伦科夫辐射的研究带来了丰富的应用的发展，其中大部分用于粒子识别探测器和医学成像。然而，尽管人们对这一现象非常关注，但大部分理论研究和所有的实验证明都涉及三维空间中的切伦科夫辐射，并基于经典电磁学进行描述。

现在，以色列理工学院的研究人员首次提出了二维切伦科夫辐射的实验观察，证明了在二维空间中，辐射的行为方式完全不同--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。该效应的低维度使人们得以一窥自由电子辐射过程的量子性质：对单个电子发出的光子（光的量子粒子）的数量进行计数，并间接证明电子与它们发出的光波的纠缠。

在这种情况下，"纠缠"意味着电子的属性和所发射的光的属性之间的"相关性"，这样，测量一个就能提供另一个的信息。值得注意的是，2022年的诺贝尔物理学奖是为证明量子纠缠的效果的一系列实验的表现而颁发的（在与本研究中所展示的系统不同）。

据尤瓦尔-阿迪夫说："最让我们吃惊的研究结果涉及实验中电子辐射发射的效率：在本实验之前的最先进的实验实现了大约一百个电子中只有一个电子发射辐射的制度，而在这里，我们成功地实现了每个电子都发射辐射的互动制度。换句话说，我们能够证明互动效率（也称为"耦合强度"）提高了两个数量级以上。这一结果有助于推动高效电子驱动辐射源的现代发展。"

Kaminer教授评论说："电子发射的辐射是一种"古老"的现象，已经被研究了一百多年，并在很久以前就被技术所吸收，家用微波炉就是一个例子。许多年来，我们似乎已经发现了关于电子辐射的一切，因此，这种辐射已经被经典物理学完全描述的想法变得根深蒂固。与这种观念形成鲜明对比的是，我们建造的实验仪器使电子辐射的量子性质得到了揭示。现在发表的新实验探讨了电子辐射的量子-光子性质。这个实验是我们理解这种辐射，以及更广泛地理解电子和它们所发出的辐射之间关系的范式转变的一部分。例如，我们现在了解到，自由电子可以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，既令人惊讶又令人激动"。

据Shai Tsesses说："在Yuval Adiv的新实验中，我们强迫电子在一个光子-等离子体表面附近旅行，我根据Guy Bartal教授的实验室开发的技术计划了这个实验。电子的速度被准确地设定为获得一个大的耦合强度，比在正常情况下获得的耦合强度要大，因为耦合是在三维空间的辐射。在这个过程的核心，我们观察到辐射发射的自发量子性质，在被称为光子的离散能量包中获得。通过这种方式，该实验对光子的量子性质有了新的认识。"