【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】自由電子驅(qū)動光源是現(xiàn)代科學(xué)研究的重要工具，其核心器件“波蕩器”通過周期性電磁場使電子發(fā)生振蕩，從而產(chǎn)生輻射。目前廣泛應(yīng)用于同步輻射裝置和自由電子激光器的大型波蕩器，通常依賴?yán)迕壮叨鹊拇沤Y(jié)構(gòu)，需配套龐大的加速器設(shè)施和高能電子束。如何實(shí)現(xiàn)自由電子光源的小型化與集成化，是國際前沿研究的重要方向。
 

　　近日，北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉運(yùn)全教授課題組提出一種基于耦合納米線對結(jié)構(gòu)(Coupled Nanowire Pair，CNP)的納米尺度波蕩器(Nanoscale Undulator，NU)，可對自由電子波函數(shù)進(jìn)行調(diào)控，并實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的納米尺度飛秒相干輻射。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，課題組設(shè)計了一種由兩根平行納米線構(gòu)成的耦合納米線對結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在外部激光照射下，兩根納米線之間僅10納米寬的間隙中形成了強(qiáng)烈且周期性分布的橫向電場。研究表明，這種光學(xué)近場能夠像傳統(tǒng)波蕩器中的磁場一樣，驅(qū)動電子發(fā)生周期振蕩，因此被稱為“納米尺度波蕩器”。與傳統(tǒng)波蕩器相比，該結(jié)構(gòu)具有尺寸極小、場強(qiáng)高、易于集成等優(yōu)勢。
 

　　課題組建立了自由電子與納米波蕩器相互作用的理論模型，結(jié)合有限差分時域模擬和相對論修正含時薛定諤方程數(shù)值計算，深入揭示了橫向近場與自由電子耦合的核心物理機(jī)制：一方面，周期橫向光場驅(qū)動電子波包產(chǎn)生穩(wěn)定的周期性橫向振蕩；另一方面，間隙內(nèi)倏逝光場構(gòu)建等效簡諧勢阱，實(shí)現(xiàn)電子波函數(shù)的量子壓縮效應(yīng)(squeezing effect)，這種壓縮效應(yīng)能有效抑制電子波包因量子色散引起的擴(kuò)散，從而維持電子在納米結(jié)構(gòu)中的長距離穩(wěn)定傳播，如圖2所示。
 

　　進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在電子波函數(shù)被塑形的同時，振蕩電子還會輻射出高度相干的光場。課題組從量子電動力學(xué)角度分析了這一輻射過程，并計算獲得了相應(yīng)的輻射光譜。結(jié)果表明，納米波蕩器能夠產(chǎn)生多個可分辨的輻射峰，其頻率及脈沖寬度可通過調(diào)節(jié)電子入射能量實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控，如圖3所示。該裝置產(chǎn)生的輻射還具有優(yōu)異的空間方向性和極低角色散特性，能夠輸出高質(zhì)量光束。
 

　　該工作揭示了強(qiáng)橫向光學(xué)近場驅(qū)動下自由電子波函數(shù)的時空塑形機(jī)制，并提出了一種全新的納米尺度飛秒相干光源和自由電子波函數(shù)整形方案。相比傳統(tǒng)大型自由電子光源，該平臺具有體積小、可集成、參數(shù)可調(diào)等優(yōu)勢，有望應(yīng)用于片上光源、集成光子學(xué)、超快成像以及自由電子量子光學(xué)等前沿領(lǐng)域。
 

　　相關(guān)成果以“Nanoscale Femtosecond Coherent Radiation and Spatiotemporally Shaped Free Electron Wave Function”為題，發(fā)表于Physical Review Letters。論文第一作者為北京大學(xué)物理學(xué)院博士生文武，通訊作者為劉運(yùn)全。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助，相關(guān)工作依托人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、極d光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等科研平臺完成。
 

　　引用：物理學(xué)院劉運(yùn)全課題組提出納米“波蕩器” 實(shí)現(xiàn)飛秒相干光源及自由電子波函數(shù)整形新方案-北京大學(xué)儀表網(wǎng)【引用時間：2026年7月21日】