光物理学：自由電子放射のためのフォトニック平坦バンド共鳴

平坦バンドは、現代の物性物理学やフォトニクスにおける基礎となっている。エレクトロニクスでは、平坦バンドは、同程度のエネルギーバンド幅とクーロン相互作用を伴い、分数量子ホール効果や、最近では魔法角系に見られるものなどの相関現象を生み出す。フォトニクスでは、スローライトやレーザー発振などの特性が実現される。特に、平坦バンドは、両系において、回折のない波束伝播であるスーパーコリメーションを支えている。このような並行した精力的な取り組みにもかかわらず、平坦バンドが自由電子と光子の間の中心的相互作用に影響を及ぼすことは示されていない。自由電子レーザー、顕微鏡法や分光法、粒子加速器で重要な役割を果たすこの相互作用は、実際には局在電子と広がった光子の間の次元の不整合によって制限されている。今回我々は、フォトニック平坦バンドがこの不整合を克服し、両者の相互作用を著しく増強することを理論的に明らかにしている。我々は、シリコン・オン・絶縁体フォトニック結晶スラブにおける平坦バンド共鳴を設計し、関連する自由電子の軌道と速度を調整することによって、その自由電子放射を制御し増強している。そして、平坦バンド増強の特徴を観測し、回折を利用した従来のスミス–パーセル放射から2桁増えたことを記録している。この増強によって、自由電子放射の偏光整形や、電子ビーム測定を通したフォトニックバンドの特性評価が可能になる。今回の結果は、強い光–電子相互作用、特に、効率的で小型の自由電子光源や加速器に適したテストベッドとして平坦バンドを使用できることを裏付けている。

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