北京大学物理学院刘运全课题组提出纳米“波荡器” 实现飞秒相干光源及自由电子波函数整形新方案

自由电子驱动光源是现代科学研究的重要工具，其核心器件“波荡器”通过周期性电磁场使电子发生振荡，从而产生辐射。目前广泛应用于同步辐射装置和自由电子激光器的大型波荡器，通常依赖厘米尺度的磁结构，需配套庞大的加速器设施和高能电子束。如何实现自由电子光源的小型化与集成化，是国际前沿研究的重要方向。

近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理全国重点实验室刘运全教授课题组提出一种基于耦合纳米线对结构（Coupled Nanowire Pair，CNP）的纳米尺度波荡器（Nanoscale Undulator，NU），可对自由电子波函数进行调控，并实现可调谐的纳米尺度飞秒相干辐射。

针对这一挑战，课题组设计了一种由两根平行纳米线构成的耦合纳米线对结构，如图1所示。在外部激光照射下，两根纳米线之间仅10纳米宽的间隙中形成了强烈且周期性分布的横向电场。研究表明，这种光学近场能够像传统波荡器中的磁场一样，驱动电子发生周期振荡，因此被称为“纳米尺度波荡器”。与传统波荡器相比，该结构具有尺寸极小、场强高、易于集成等优势。

图1 纳米电子波荡器期间辐射原理

课题组建立了自由电子与纳米波荡器相互作用的理论模型，结合有限差分时域模拟和相对论修正含时薛定谔方程数值计算，深入揭示了横向近场与自由电子耦合的核心物理机制：一方面，周期横向光场驱动电子波包产生稳定的周期性横向振荡；另一方面，间隙内倏逝光场构建等效简谐势阱，实现电子波函数的量子压缩效应（squeezing effect），这种压缩效应能有效抑制电子波包因量子色散引起的扩散，从而维持电子在纳米结构中的长距离稳定传播，如图2所示。

图2 纳米波荡器对1keV，10keV，30keV电子波函数的调控

进一步研究发现，在电子波函数被塑形的同时，振荡电子还会辐射出高度相干的光场。课题组从量子电动力学角度分析了这一辐射过程，并计算获得了相应的辐射光谱。结果表明，纳米波荡器能够产生多个可分辨的辐射峰，其频率及脉冲宽度可通过调节电子入射能量实现连续调控，如图3所示。该装置产生的辐射还具有优异的空间方向性和极低角色散特性，能够输出高质量光束。

图3 能量为1keV和10keV电子辐射的飞秒脉冲

该工作揭示了强横向光学近场驱动下自由电子波函数的时空塑形机制，并提出了一种全新的纳米尺度飞秒相干光源和自由电子波函数整形方案。相比传统大型自由电子光源，该平台具有体积小、可集成、参数可调等优势，有望应用于片上光源、集成光子学、超快成像以及自由电子量子光学等前沿领域。

相关成果以“Nanoscale Femtosecond Coherent Radiation and Spatiotemporally Shaped Free Electron Wave Function”为题，发表于Physical Review Letters。论文第一作者为北京大学物理学院博士生文武，通讯作者为刘运全。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助，相关工作依托人工微结构和介观物理全国重点实验室、极端光学协同创新中心等科研平台完成。