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.
Фотон повел себя как частица при взаимодействии с электроном
Израильские ученые впервые показали, как фотон взаимодействует с электроном, проявляя при этом свойства частицы, а не волны. Результаты работы могут иметь важное значение для будущих исследований, посвященных изучению фотонов и их взаимодействия со свободными электронами.
SimplySci Animations
Обычно свет ведет себя как волна при взаимодействии со свободными электронами, но ученым удалось сделать так, чтобы фотоны вели себя как частицы
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.