Эффект шепчущей галереи усилил взаимодействие света и электронов ( 3 фото )

Прохождение электрона вдоль поверхности освещенной сферы

Kfir et al. / Nature, 2020

Немецкие ученые смогли увеличить эффективность поглощения электронами лазерного излучения. Для этого электронный пучок пропустили через оптический резонатор с эффектом шепчущей галереи, в котором накапливалась энергия лазерных импульсов. Статья опубликована в журнале Nature.

Людям с древних времен известен эффект шепчущей галереи. Было замечено, что в соборе Святого Петра в Риме шепот, произнесенный у стены, отлично слышен по кругу зала, но не в его центре. Это происходит за счет того, что звуковые волны отражаются от округлых стен, а не поглощаются ими. Таким образом можно направлять и сохранять не только звук, но и свет: оптический резонатор высокой добротности может сохранять в себе фотон более сотни микросекунд.


Свет, пойманный шепчущей галерей стеклянной микросферы

Wikimedia Commons

Электрон — элементарная частица с малой массой и отрицательным зарядом, которая может не только находиться в веществе, но и быть свободной. Если свободный электрон обладает энергией более 200 тысяч электронвольт, то он движется с околосветовой скоростью. В этом случае происходит совпадение его скорости со скоростью фаз света и электроны начинают поглощать энергию фотонов. На эффекте поглощения электронами энергии света основана одноименная спектроскопия, при которой через освещаемый предмет пропускают пучок электронов одной энергии и изучают оптические свойства глядя на то, как свет повлиял на энергетический разброс в разных точках.

Офер Кфир (Ofer Kfir) из Гёттингенского университета и его коллеги существенно усилили взаимодействие электронов и света за счет увеличения плотности фотонов. Для этого они использовали оптический эффект шепчущей галереи, где в роли отражающих стен выступили сферы из кварцевого стекла диаметром два и пять микрон. Снаружи сферы освещались лазером с длиной волны 800 нанометров, которая попадала в ловушку из границ кварца. Этот же принцип лежит в основе оптоволокна, только его стекло вытянутое, а не замкнутое.

Затем сферы облучали импульсами электронов с энергиями более 200 тысяч электронвольт. За счет совпадения скорости электронов со скоростью фаз света и за счет большой плотности фотонов вдоль границ сферы фотоны эффективно передают энергию электронам, после чего они прилетают на регистратор с большим энергетическим разбросом.


Чем ярче место, тем больший разброс энергий электронов

Kfir et al. / Nature, 2020

При облучении двухмикронных сфер пучком электронов с энергиями около 700 тысяч электронвольт максимальный прирост энергии составил около 300 электронвольт, из чего следует, что удельное ускорение равно примерно 1,4 миллиарда электронвольт на метр. Это открытие существенно расширяет возможности влияния на электроны при помощи света, что может найти применение в микроскопии, спектроскопии, а так же в исследованиях квантовой механики.

Ранее при помощи света удалось запутать узлы квантовой памяти на расстоянии 50 километров друг от друга. Кроме того, в 2017 году ученые пронаблюдали столкновение фотона с фотоном.

Василий Зайцев