自80多年前提出量子反冲以来，新加坡南洋理工大学的科学家首次证明了“量子反冲”现象，该现象描述了光的粒子性质如何对电子在材料中移动产生重大影响。
什么是“量子反冲”
量子反冲理论是由俄罗斯物理学家、诺贝尔奖得主维塔利·金兹伯格(Vitaly Ginzburg)在1940年提出的，用来准确解释当带电粒子（如电子）通过介质（如水）或表面具有重复图案的材料（如蝴蝶翅膀和石墨上的图案）时发出的辐射。
当移动的电子干扰介质或材料中的原子时，就会产生这种辐射。当原子恢复到不受干扰的状态时，它们会发出辐射，例如X射线。
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虽然电子被认为在这种情况下会失去能量并减速，但经典理论预测，它对发射的辐射的影响是可以忽略不计的。然而，Ginzburg 认为，在考虑处理带电粒子如何与电磁场相互作用以及光如何与物质相互作用的量子电动力学理论时，这一假设会被打破。
根据该理论，当运动的电子在扰动附近的原子后减速时，这些电子损失的能量和动量应该转移到发射的辐射中。这是因为光以具有能量和动量的粒子的形式存在，并以辐射的形式以波的形式运动。
这种转移导致释放的辐射能量偏离经典预测，并且还通过使电子偏离其行进路径来影响减速电子。这种现象被称为量子反冲。
NTU首次证明量子反冲
由南洋理工大学电气与电子工程学院南洋助理教授 Wong Liang Jie 领导的科学家通过单独的实验证明了量子反冲的存在。
这些实验将电子从扫描电子显微镜轰击到六方氮化硼和石墨两种超薄材料上，并使用能量色散 X 射线光谱仪检测器测量了从这种轰击中发射的 X 射线。实验发现它们的能量与经典理论预测的能量不同，但可以用量子反冲来解释。
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在一组实验中，科学家测量到能量为1300电子伏特 (eV) 的 X 射线，但根据经典理论，应该可以检测到能量为1340 eV的 X 射线。40 eV 的差异表明 X 射线实际上失去了能量，符合量子反冲理论所预测的结果。
研究人员表示，在某些条件下，量子反冲效应可能会大得多，例如当被电子轰击的材料倾斜或观察 X 射线的方向发生变化时。他们的计算表明，如果在几个特定方向观察到发射的 X 射线的经典预测能量约为 300 eV，则由于量子反冲，测得的能量可能会降至几乎为零。目前这一理论还需要通过进一步的研究来证实。
可改进X射线成像应用
目前，团队已经根据反冲结果和早期关于使用暴露于移动电子的计算机芯片大小的无机化合物产生 X 射线的研究申请了专利。该专利指出了一种制造更小的台式机器的方法，这些机器可以通过调整准确地产生特定的 X 射线能量，价格也更加便宜。
可调谐X光机将极大地促进生物医学成像。通常在医疗保健环境中，X光机产生的X射线能量范围会很广。但是使用可调谐 X 射线机，可以产生窄范围的 X 射线能量。这种将X射线源调整到特定窄范围能量的能力开辟了生物医学成像应用的新领域。
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新加坡医疗诊断设备制造商 CTmetrix 的首席技术官 Edward Morton 博士说，“通过使用调谐到特定能量的不同 X 射线来探测材料的原子组成，我们可以对组织样本中的细胞结构有新的认识。”
此类X射线需要准确生成，因为每个有不同能量的X射线在 X 射线成像中都会识别不同的人体组织。如果由于未考虑量子反冲而产生和使用的 X 射线能量不正确，则可能会错误地识别正在分析的组织。“量子反冲是优化 X 射线源能量的关键，不容忽视。”Morton说。
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CTmetrix 已申请使用 NTU 专利开发更紧凑和精确的可调谐X射线机，用于人体组织样本的生物医学成像。该公司的目标是在 2023 年底之前准备好原型。
