Première observation du phénomène de rayonnement Cherenkov dans l’espace 2D

L'interaction 2D surprend les chercheurs

Un seul électron libre se propage au-dessus de la structure en couches spéciale que les chercheurs ont conçue, à seulement quelques dizaines de nanomètres au-dessus. Au cours de son mouvement, l’électron émet des paquets discrets de rayonnement appelés “photons”. Entre l’électron et les photons qu’il a émis, une connexion “d’intrication quantique” se forme. Crédit : Ella Maru Studio

Des chercheurs de la Faculté de génie électrique et informatique Andrew et Erna Viterbi du Technion – Institut de technologie d’Israël ont présenté la première observation expérimentale du rayonnement Cherenkov confiné en deux dimensions. Les résultats représentent un nouveau record dans la force de couplage du rayonnement électronique, révélant les propriétés quantiques du rayonnement.

Tcherenkov radiation est un phénomène physique unique, utilisé depuis de nombreuses années dans l’imagerie médicale et dans les applications de détection de particules, ainsi que dans les accélérateurs d’électrons pilotés par laser. La percée réalisée par les chercheurs du Technion relie ce phénomène aux futures applications de l’informatique quantique photonique et aux sources de lumière quantique à électrons libres.

L’étude, qui a été publiée dans Examen physique Xétait dirigé par un doctorat. étudiants Yuval Adiv et Shai Tsesses du Technion, ainsi que Hao Hu de la Nanyang Technological University à Singapour (aujourd’hui professeur à l’université de Nanjing en Chine). Il a été supervisé par le professeur Ido Kaminer et le professeur Guy Bartal du Technion, en collaboration avec des collègues chinois : le professeur Hongsheng Chen et le professeur Xiao Lin de l’université du Zhejiang.

L’interaction de électrons libres avec la lumière sous-tend de nombreux phénomènes de rayonnement connus et a conduit à de nombreuses applications scientifiques et industrielles. L’un des plus importants de ces effets d’interaction est le rayonnement Cherenkov –un rayonnement électromagnétique émis lorsqu’une particule chargée, telle qu’un électron, se déplace à travers un milieu à une vitesse supérieure à la vitesse de phase de la lumière dans ce milieu spécifique. C’est l’équivalent optique d’un boom supersonique, qui se produit, par exemple, lorsqu’un jet se déplace plus vite que la vitesse du son. Par conséquent, le rayonnement Cherenkov est parfois appelé « onde de choc optique ». Le phénomène a été découvert en 1934. En 1958, les scientifiques qui l’ont découvert ont reçu le prix Nobel de physique.

Depuis lors, pendant plus de 80 ans de recherche, l’étude du rayonnement Cherenkov a conduit au développement d’une multitude d’applications, la plupart pour les détecteurs d’identification de particules et l’imagerie médicale. Cependant, malgré l’intense préoccupation suscitée par le phénomène, l’essentiel des recherches théoriques et toutes les démonstrations expérimentales concernaient le rayonnement Tcherenkov dans l’espace tridimensionnel et basaient sa description sur l’électromagnétisme classique.

Maintenant, les chercheurs du Technion présentent la première observation expérimentale du rayonnement Cherenkov 2D, démontrant que dans l’espace bidimensionnel, le rayonnement se comporte d’une manière complètement différente – pour la première fois, la description quantique de la lumière est essentielle pour expliquer les résultats de l’expérience.

Les chercheurs ont conçu une structure multicouche spéciale permettant l’interaction entre les électrons libres et les ondes lumineuses se déplaçant le long d’une surface. L’ingénierie intelligente de la structure a permis une première mesure du rayonnement Cherenkov 2D. La faible dimensionnalité de l’effet a permis d’entrevoir la nature quantique du processus d’émission de rayonnement des électrons libres : un comptage du nombre de photons (particules quantiques de lumière) émis par un électron unique et une preuve indirecte de l’intrication des électrons avec les ondes lumineuses qu’ils émettent.

Dans ce contexte, “intrication” signifie corrélation entre les propriétés de l’électron et celles de la lumière émise, de sorte que la mesure de l’une fournit des informations sur l’autre. Il convient de noter que le prix Nobel de physique 2022 a été décerné pour la réalisation d’une série d’expériences démontrant les effets de l’intrication quantique (dans des systèmes différents de ceux démontrés dans la présente recherche).

Yuval Adiv déclare : « Le résultat de l’étude qui nous a le plus surpris concerne l’efficacité de l’émission de rayonnement électronique dans l’expérience : alors que les expériences les plus avancées qui ont précédé la présente ont atteint un régime dans lequel environ un seul électron sur cent émis rayonnement, ici, nous avons réussi à obtenir un régime d’interaction dans lequel chaque électron émettait un rayonnement. En d’autres termes, nous avons pu démontrer une amélioration de plus de deux ordres de grandeur de l’efficacité d’interaction (aussi appelée force de couplage). Ce résultat aide faire progresser les développements modernes de sources de rayonnement efficaces pilotées par électrons.”

Le professeur Kaminer déclare : “Le rayonnement émis par les électrons est un phénomène ancien qui fait l’objet de recherches depuis plus de 100 ans et a été assimilé à la technologie il y a longtemps, un exemple étant le four à micro-ondes domestique. Pendant de nombreuses années, il semblait que nous avions déjà découvert tout ce qu’il y avait à savoir sur le rayonnement électronique, et ainsi, l’idée que ce type de rayonnement avait déjà été entièrement décrit par la physique classique s’est enracinée. En contraste frappant avec ce concept, l’appareil expérimental que nous avons construit permet la nature quantique du rayonnement électronique être révélé.

“La nouvelle expérience qui vient d’être publiée explore la nature photonique quantique du rayonnement électronique. L’expérience fait partie d’un changement de paradigme dans la façon dont nous comprenons ce rayonnement, et plus largement, la relation entre les électrons et le rayonnement qu’ils émettent. Par exemple , nous comprenons maintenant que les électrons libres peuvent s’emmêler avec les photons qu’ils émettent. Il est à la fois surprenant et excitant de voir des signes de ce phénomène dans l’expérience.

Shai Tsesses déclare : “Dans la nouvelle expérience de Yuval Adiv, nous avons forcé les électrons à se déplacer à proximité d’une surface photonique-plasmonique que j’ai planifiée sur la base d’une technique développée dans le laboratoire du professeur Guy Bartal. La vitesse des électrons a été réglée avec précision pour obtenir un grande force de couplage, supérieure à celle obtenue dans des situations normales, où le couplage est au rayonnement en trois dimensions.Au cœur du processus, on observe la nature quantique spontanée de l’émission de rayonnement, obtenue en paquets discrets d’énergie appelés photons. Ainsi, l’expérience jette un nouvel éclairage sur la nature quantique des photons.”

Plus d’information:
Yuval Adiv et al, Observation du rayonnement Cherenkov 2D, Examen physique X (2023). DOI : 10.1103/PhysRevX.13.011002

Citation: Première observation du phénomène de rayonnement Cherenkov dans l’espace 2D (18 janvier 2023) récupéré le 18 janvier 2023 sur https://phys.org/news/2023-01-cherenkov-phenomenon-2d-space.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.

Leave a Comment