导读

近日，新加坡南洋理工大学的研究人员提出一种通过波函数塑形自由电子激发并调控X射线的新型机理。基于电子的量子特性，理论计算表明，通过匹配自由电子波函数与晶格的周期性，可以显著提高自由电子辐射的亮度和方向性。

研究背景

自物理学家威廉·伦琴于1895年发现X射线，X射线在现代工业、医学等领域发挥重要作用，更是探索基础科学的利器。轫致辐射是一种常见的产生X射线的机理，其辐射来源于高速电子的速度变化。常见的X射线源，比如X射线管、同步辐射光源和自由电子激光器，都基于轫致辐射。

其中，X射线管是一种小型化的X射源，但是产生X射线的效率低，其非相干的激发过程导致辐射谱连续，且辐射方向不可调控。同步辐射光源和自由电子激光器可以产生高相干性的X射线光源，辐射效率高，但是占地面积大，因此仅限于大型科学装置。

研究创新

本文提出对单个电子波函数进行塑形，增强电子与晶体的相互作用，提高相干轫致辐射的强度和方向性。

图1. 电子波函数塑形增强电子与晶体的相互作用，提高相干轫致辐射的强度和方向性。平面波电子与石墨烯相互作用，生成的X射线亮度低，辐射角度大。周期分布的电子波函数，可以提高电子与石墨烯的相互作用，增强X射线亮度。通过改变电子波函数的拓扑形状，可以改变X射线辐射的方向性。

该研究的创新点是，基于电子波函数与二维晶体相互作用过程中的量子干涉，依照晶格结构来反向设计入射电子的波函数。当电子波函数与二维晶格结构有相似的周期性时，自由电子激发X射线会有高达三个数量级的增强。这种增强是一种量子干涉的结果，超过在半经典理论中提高晶格原子周围的自由电子密度带来的效果。同时，电子波函数在晶格点上的拓扑形状能显著影响X射线的辐射角度，这也是半经典理论无法预测的。

自由电子波函数塑形

自由电子波函数塑形需要用到电子相位调制器。该调制器由电压可调控的电极组成。通过改变电极的电压，可以调控电子穿过该电极的相位积累,进而精确控制电子波函数的分布和拓扑形状。

图2. 电子波函数塑形潜在的医学应用。(a) 普通的平面波电子生成的X射线亮度低，辐射角度大，因此放射摄影范围大，X光片对比度低。（b）电子波函数塑形的电子产生高亮度，高方向性的X射线，可以缩小放射摄影范围，提高X光片对比度。

应用前景与展望

该研究展示了电子波函数可以显著影响电子自发辐射过程，并且理论仿真验证波函数塑形增强X射线辐射的亮度和方向性。该理论为小型化、可调控，高强度相干X射线源的研发提供了积极的推动作用。

该研究成果以“Free-electron crystals for enhanced X-ray radiation” 为题发表在国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。第一作者为新加坡南洋理工大学研究工程师Wesley Wong Lee Wei。通讯作者为新加坡南洋理工大学Wong Liang Jie南洋助理教授。合作者为以色列理工学院的时西航博士和Ido Kaminer教授，特拉维夫大学Aviv Karnieli博士，新加坡南洋理工大学研究工程师Suraj Kumar，新加坡科技设计大学Jeremy Lim 博士以及加利福尼亚大学洛杉矶分校的Serjio Carbajo教授。该工作得到了新加坡国家研究基金会（NRF， Project ID NRF2020-NRF-ISF004-3525)的支持。时西航博士受以色列高等教育委员会奖学金和以色列理工海伦迪勒量子科学中心的支持。Serjio Carbajo教授受美國空軍基礎科學研究中心（AFOSR，contract no. FA9550-23-1-0409）和美国能源部（DOE，contract no. DE-SC0022559）的支持。Ido Kaminer教授受美国以色列联合科学基金（BSF，Grant No. 2022144）和以色列科学基金会（ISF，Grant No. 3525/20）的支持。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01363-4