Фотон повел себя как частица при взаимодействии с электроном
Обычно свет ведет себя как волна при взаимодействии со свободными электронами, но ученым удалось сделать так, чтобы фотоны вели себя как частицы
В течение нескольких десятилетий физикам было известно, что свет можно описать одновременно как волну и частицу. Этот так называемый корпускулярно-волновой дуализм света обусловлен классической и квантовой природой электромагнитных возбуждений — процессов, посредством которых создаются электромагнитные поля. До сих пор во всех экспериментах, в которых свет взаимодействует со свободными электронами, он описывался как волна.
Однако исследователи из Израильского технологического института Технион смогли показать на практике существование нового типа взаимодействия свободных электронов с фотонами, в котором последние проявляют свойства частиц. Экспериментальное исследование основывалось на двух теоретических исследованиях, проведенных за два года до этого. Работы предсказывали существование такого взаимодействия, и тогда физики начали поиск системы, в которой они смогли бы экспериментально проверить это.
Для этого ученым понадобились два компонента: устройство, которое бы обеспечило наилучшее электрон-фотонное взаимодействие, и генератор фотонов, создающий максимально интенсивное излучение. Обратившись за помощью к коллегам, физики смогли разработать метод, позволяющий увеличить эффективность взаимодействия частиц в сто раз по сравнению со всеми предыдущими экспериментами.
Объединив различные элементы и проведя очень сложный эксперимент с использованием сверхбыстрого просвечивающего электронного микроскопа, ученые смогли достичь основной цели: они продемонстрировали первое взаимодействие между свободным электроном и светом с различными квантовыми свойствами. Авторы наблюдали, как меняется энергетический спектр электронов в ответ на взаимодействие с фотонами. Изменение статистики, которое они наблюдали, варьировалось в зависимости от интенсивности накачки лазера в оптическом усилителе.
Результаты работы исследователей доказывают, что можно временно формировать электроны с помощью света с непрерывной волной (CW). Этот результат может позволить интегрировать кремниевые фотонные чипы в электронные микроскопы, чтобы расширить возможности этого метода — например, снизить временное разрешение до диапазона в несколько аттосекунд без ущерба для пространственного разрешения.
Статья об открытии опубликована в журнале Science.
