自由电子的最大自发光子发射与能量损失

切伦科夫辐射、Smith-Purcell 辐射和渡越辐射等自由电子辐射可受结构化光学环境的极大影响，这已在各种极化激元、光子晶体和超材料系统中得到证实。然而，在任意材料结构附近，最终能从自由电子提取的辐射量仍属未知。在此，我们推导了自由电子自发光子发射和能量损失的基本上限，该上限与几何形状无关，阐明了材料性质和电子速度的影响。我们通过对 Smith-Purcell 辐射的定量测量获得了支持本理论的实验证据。我们的框架允许做出两项预测。其一是新的辐射运行机制——在亚波长间距下，较慢的（非相对论性）电子可以比较快的（相对论性）电子实现更强的辐射。其二是，在无损材料极限下发射概率存在发散。我们进一步揭示，通过将自由电子耦合至连续谱中的光子束缚态（BICs），可以逼近此类发散。我们的研究结果表明，从微波到软 X 射线波段的紧凑且高效的自由电子辐射源有望实现，而无需超高压加速电压。