帶電粒子在被加速時（直線加速度或震盪）會釋放出電磁波；所產生的光波長，則取決於電子的能量與震盪的空間周期：電子能量越高或震盪周期越短，則產生的光波長越短。換句話說，光波長可透過調整電子能量或是震盪周期而被連續調制。不同於傳統雷射僅能發射單一波長的光，這種自由電子光源(free-electron-based light source)由於其發光波長從紅外光-可見光-紫外光-X-ray的連續可調性，長久以來一直受到廣泛的注意。然而，傳統上實現這種光源的設備需要使用週期變化的磁場來讓行進中的自由電子產生震盪，而相關的磁鐵設施尺寸小則數公尺，大可達100公尺左右。巨大的同步輻射設施就是一個典型的例子，顯然實現這種本質上具有波長可調性的設備-尤其是短波長-往往體積龐大且價格不斐。比起一般人所理解的燈泡之類的「光源」，能產生高品質短波長X-ray的同步輻射「光源」大概永遠跟「輕便」沾不上邊。由於小型、波長連續可調且具有產生短波長紫外光與X-ray能力的裝置在許多諸如科學、醫療與工程領域的應用非常的重要，可以想見的是，真正輕便的自由電子光源是迫切需要的。
由Liang Jie Wong與其同僚所組成的美國-新加坡團隊在近期發表了一種可能可以實現上述裝置的方法，而這或許是波長可調制之短波長同調光源微縮至晶片尺寸的第一步。由機制上來說，自由電子在穿越具原子尺度週期性的晶體結構時，電子會因為與電漿子(plasmon)交互作用而產生震盪，進而產生光。他們由電腦模擬的結果預測，波長可調制的短波長輻射可透過石墨烯(graphene)內電子束與電漿子之間的交互作用產生。由於僅一個原子厚的石墨烯是已知最薄的材料之一，自由電子的震盪可在奈米尺度內被實現，因此在此機制的延長線上，可以預見晶片尺寸波長可調制的短波長紫外光與X-ray的裝置將可能被實現。相關研究被刊登在2015年11月的Nature Photonics期刊線上版。
責任編輯：莊鎮宇
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Wong, L. J. et al. Nature Photon. 10, 46–52 (2016).
doi:10.1038/nphoton.2015.223
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