近日，我校特聘研究员胡昊博士与以色列理工大学Ido Kaminer教授团队、浙江大学林晓教授团队合作，在国际知名物理学期刊Physical Review X上以“Observation of 2D Cherenkov Radiation”为题发表学术论文。该工作是国际上首次在二维尺度实现切伦科夫辐射，同时刷新自由电子辐射耦合强度记录并揭示其量子特性。以色列理工大学Yuval Adiv博士为论文第一作者，我校特聘研究员电子信息工程学院胡昊博士和以色列理工大学Shai Tsesses博士后为论文共同第一作者，Ido Kaminer教授为论文通讯作者。
二维量子切伦科夫辐射效果图
自由电子和光的相互作用产生了诸多有趣的辐射现象，在科学和工业上应用广泛。其中切伦科夫辐射是最为重要的辐射现象，它是当带电粒子的运动速度超过光的相速度时该自由粒子向周围环境辐射电磁冲击波的现象。该现象于1934年被Cherenkov发现，后被Frank和Tamm解释机理。1958年这三位科学家因其在发现和解释切伦科夫辐射上的重要贡献而获诺贝尔物理学奖。
在之后80多年里，切伦科夫辐射的进一步研究促进了大量应用的发展，其中大部分用于高能粒子探测和医学成像。然而，大部分理论和实验研究都仅仅专注于三维空间中的切伦科夫辐射，并通常基于经典电磁理论给予解释。在此项工作中，胡昊博士研究团队首次实验实现了二维切伦科夫辐射，并证明二维辐射特性与三维情况完全不同。值得注意的是，该实验第一次表明用量子理论描述切伦科夫辐射对于解释实验结果至关重要。
在该工作中，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并首次观测到二维切伦科夫辐射。该辐射的低维度性质使得自由电子辐射的量子特性在实验中得以彰显，即单个电子发射多个光子的过程和电子与辐射光子的纠缠效应。这里，“纠缠”是指电子与发射光子的属性之间具有“关联性”，因此测量其中一个可以提供另一个的信息。该发现在量子信号处理上具有重要应用，例如可以实现新型量子逻辑门。
该工作还将自由电子和光相互作用的强度提高到一个新的高度。在以往相关实验中，往往一百个电子中只有一个电子辐射光。而在这里，研究人员成功实现了几乎每个电子都参与辐射。换句话说，自由电子和光的耦合强度提高了两个数量级以上。这一结果有助于推动现代高效率的电子驱动辐射源的发展。
论文链接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011002