論文の概要: Quantum Interaction Between Free Electrons and Light Involving First-order and Second-order Process
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2601.01846v1
- Date: Mon, 05 Jan 2026 07:19:22 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-01-06 16:25:22.836509
- Title: Quantum Interaction Between Free Electrons and Light Involving First-order and Second-order Process
- Title（参考訳）: 自由電子と1次・2次過程を含む光の量子相互作用
- Authors: Hongteng Lin, Xiaotong Xiong, Junjie Liu, Yidong Huang, Fang Liu,
- Abstract要約: 2光子過程を考慮した電子-光子相互作用の完全な量子理論を開発する。
KD効果(弾性電子-光子散乱)と非線形コンプトン散乱も一種の2光子過程である。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 9.862243075173259
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Photon-induced Near-field Electron Microscopy (PINEM) effect has revealed the quantum interaction between free electrons and optical near filed, which demonstrated plenty of novel phenomena of manipulating free electron wave packet and detecting/shaping quantum photonic states. However, free electrons generally only absorb/emit one photon at a time, while the physical mechanism and phenomena of free electron-two-photon interaction have not been studied yet. Moreover, the relationship between PINEM and Kapitza-Dirac (KD) effect and nonlinear Compton scattering is still unclear. Here we develop the full quantum theory of electron-photon interaction considering the two-photon process. It is revealed that the emission/absorption of two photons by electrons can be greatly enhanced by manipulating the electric field component of optical near field, and the quantum interference between single-photon and two-photon processes can occur in some circumstances, which affects the photon number state, electron energy states and electron-photon entanglement. Meanwhile, it is found that the KD effect (elastic electron-photon scattering) and nonlinear Compton scattering (inelastic electron-photon scattering) are also a kind of two-photon process and the distribution of electrons can be deduced analytically based on the full quantum theory. Our work uncovers the possible abundant phenomena when free electron interacting with two photons, paves the way for more in-depth studies of nonlinear processes in electron-photon quantum interactions in the future.
- Abstract（参考訳）: 光子誘起近接場電子顕微鏡(PINEM)効果により、自由電子と光近接場の間の量子相互作用が明らかとなり、自由電子波パケットの操作や量子フォトニック状態の検出・形成という新しい現象が数多く示された。
しかし、自由電子は一般的に1つの光子のみを吸収・放出するが、自由電子-2光子の相互作用の物理的機構と現象はまだ研究されていない。
さらに、PINEMとKapitza-Dirac(KD)効果と非線形コンプトン散乱の関係はいまだ不明である。
ここでは、2光子過程を考慮した電子-光子相互作用の完全な量子論を発展させる。
電子による2つの光子の放出・吸収は、光近接場の電場成分を操作することにより大幅に向上し、光子数状態、電子エネルギー状態、電子-光子の絡み合いに影響を及ぼす一光子過程と二光子過程の間の量子的干渉が発生することが明らかにされた。
一方、KD効果(弾性電子-光子散乱)と非線形コンプトン散乱(非弾性電子-光子散乱)もまた2光子過程の一種であり、全量子理論に基づいて電子の分布を解析的に推定することができる。
我々の研究は、2つの光子と相互作用する自由電子の豊富な現象を明らかにし、将来電子-光子量子相互作用における非線形過程のより深い研究の道を開く。
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