自80多年前提出量子反衝以來，新加坡南洋理工大學的科學家首次證明了「量子反衝」現象，該現象描述了光的粒子性質如何對電子在材料中移動產生重大影響。
什麼是「量子反衝」
量子反衝理論是由俄羅斯物理學家、諾貝爾獎得主維塔利·金茲伯格(Vitaly Ginzburg)在1940年提出的，用來準確解釋當帶電粒子（如電子）通過介質（如水）或表面具有重複圖案的材料（如蝴蝶翅膀和石墨上的圖案）時發出的輻射。
當移動的電子干擾介質或材料中的原子時，就會產生這種輻射。當原子恢復到不受干擾的狀態時，它們會發出輻射，例如X射線。
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雖然電子被認為在這種情況下會失去能量並減速，但經典理論預測，它對發射的輻射的影響是可以忽略不計的。然而，Ginzburg 認為，在考慮處理帶電粒子如何與電磁場相互作用以及光如何與物質相互作用的量子電動力學理論時，這一假設會被打破。
根據該理論，當運動的電子在擾動附近的原子後減速時，這些電子損失的能量和動量應該轉移到發射的輻射中。這是因為光以具有能量和動量的粒子的形式存在，並以輻射的形式以波的形式運動。
這種轉移導致釋放的輻射能量偏離經典預測，並且還通過使電子偏離其行進路徑來影響減速電子。這種現象被稱為量子反衝。
NTU首次證明量子反衝
由南洋理工大學電氣與電子工程學院南洋助理教授 Wong Liang Jie 領導的科學家通過單獨的實驗證明了量子反衝的存在。
這些實驗將電子從掃描電子顯微鏡轟擊到六方氮化硼和石墨兩種超薄材料上，並使用能量色散 X 射線光譜儀檢測器測量了從這種轟擊中發射的 X 射線。實驗發現它們的能量與經典理論預測的能量不同，但可以用量子反衝來解釋。
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在一組實驗中，科學家測量到能量為1300電子伏特 (eV) 的 X 射線，但根據經典理論，應該可以檢測到能量為1340 eV的 X 射線。40 eV 的差異表明 X 射線實際上失去了能量，符合量子反衝理論所預測的結果。
研究人員表示，在某些條件下，量子反衝效應可能會大得多，例如當被電子轟擊的材料傾斜或觀察 X 射線的方向發生變化時。他們的計算表明，如果在幾個特定方向觀察到發射的 X 射線的經典預測能量約為 300 eV，則由於量子反衝，測得的能量可能會降至幾乎為零。目前這一理論還需要通過進一步的研究來證實。
可改進X射線成像應用
目前，團隊已經根據反衝結果和早期關於使用暴露於移動電子的計算機晶片大小的無機化合物產生 X 射線的研究申請了專利。該專利指出了一種製造更小的台式機器的方法，這些機器可以通過調整準確地產生特定的 X 射線能量，價格也更加便宜。
可調諧X光機將極大地促進生物醫學成像。通常在醫療保健環境中，X光機產生的X射線能量範圍會很廣。但是使用可調諧 X 射線機，可以產生窄範圍的 X 射線能量。這種將X射線源調整到特定窄範圍能量的能力開闢了生物醫學成像應用的新領域。
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新加坡醫療診斷設備製造商 CTmetrix 的首席技術官 Edward Morton 博士說，「通過使用調諧到特定能量的不同 X 射線來探測材料的原子組成，我們可以對組織樣本中的細胞結構有新的認識。」
此類X射線需要準確生成，因為每個有不同能量的X射線在 X 射線成像中都會識別不同的人體組織。如果由於未考慮量子反衝而產生和使用的 X 射線能量不正確，則可能會錯誤地識別正在分析的組織。「量子反衝是優化 X 射線源能量的關鍵，不容忽視。」Morton說。
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CTmetrix 已申請使用 NTU 專利開發更緊湊和精確的可調諧X射線機，用於人體組織樣本的生物醫學成像。該公司的目標是在 2023 年底之前準備好原型。
