图1 Smith-Purcell辐射的经典和量子理论比较。
1940年俄罗斯物理学家、诺贝尔奖获得者维塔利·金茨堡 (Vitaly Ginzburg) 建立了量子反冲理论，用来解释当带电粒子（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）时发出的辐射。当运动的电子干扰介质中的原子时，就会产生这种辐射。当原子恢复到不受干扰的状态时，它们则会发出辐射，例如X射线。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几乎可以忽略不计。然而，Ginzburg 认为，在考虑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，其损失的能量和动量应该转移到辐射中。原因是光以具有能量和动量的粒子的形式存在，并以辐射的形式通过波运动。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。然而，该理论被提出八十多年来，还没有人能够通过实验证明。
功夫不负有心人，通过科研人员的不懈努力，新加坡南洋理工大学（NTU）助理教授 Wong Liang Jie所带领的的研究团队首次证明了“量子反冲”现象，该现象描述了光的粒子性如何对材料中电子的移动产生影响。该成果以“Quantum recoil in free-electron interactions with atomic lattices”为题发表在Nature Photonics上。
研究人员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。
图2量子反冲实验中使用的扫描电子显微镜中的样本
一组实验中，研究人员测量了能量为 1,300 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，比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，量子反冲效应可能会大得多。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，不过目前仍需要进一步的研究来证实。
在这之前，世界各国的科学家们一直试图进行实验来证明量子反冲理论，但却遇到了各种障碍。因为从理论上讲，要想在可测量的水平上产生效果，电子所撞击的材料需要有微小的槽状表面图案，并以非常小的间隔重复。这意味着图案之间的距离需要小于1 nm，比一缕头发的直径还要小几十万倍。研究人员一直在尝试使用激光束等纳米制造工艺来人工制造这些微小图案。但是，到目前为止，受限于制造工艺水平，这些方法生成的图案之间的距离约为10nm。虽然离理想的结果还有一定距离，不过这已经是一个非常大的突破。
NTU的研究团队改变了研究思路，他们使用了天然具有这种微小图案的现有材料来代替人工制作，从而有效避免了制造工艺的限制。氮化硼和石墨都是原子排列非常规律的材料。重要的是，他们皆由多层仅有原子厚度的超薄层排列组成，可以作为一种自然的槽状图案，重复的间隔不到1nm，非常符和量子反冲力的测量条件。
Wong表示，团队在X射线方面的光子学研究经验在其中发挥了很大作用。因为处理的是波长在0.01nm到10nm之间的X射线，他们不断思考在这样的尺度上进行实验，恰好与证明量子反冲的要求相吻合。
论文评审者、德国康斯坦茨大学的Peter Baum教授认为该项成果具有根本性的意义，揭示了自由电子在晶体（原子以高度有序和重复模式排列的晶体材料）的帮助下与自由光子相互作用。
量子反冲的发现能够使人们更精确地生成特定能量的 X 射线，从而在医疗保健和制造应用（例如医学成像和半导体芯片缺陷检测）中实现更高的精度。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。
另一方面，可调谐X光机将大大促进生物医学成像。在医疗保健环境中，传统的X射线的光谱范围比较宽，只能用于一般成像应用。但使用可调谐X光机，可以产生一个非常窄的X射线能量范围。这种将X射线源调整到特定的狭窄能量范围的能力为生物医学成像应用开辟了一个新领域。
在X射线成像中，不同能量的X射线用来识别不同的和特定的人体组织。如果没有考虑到因量子反冲而产生的能量扰动，有可能会对组织分析结果准确性产生不利影响。新加坡医疗诊断设备制造商 CTmetrix 的首席技术官 Edward Morton 博士表示，“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，我们有希望对对组织样本中的细胞结构有新的认识，对改善临床诊断和病人的治疗效果有很大潜力。”
另一家对该专利感兴趣的新加坡公司是为半导体行业提供视觉检测解决方案的Component Technology。该公司正在打算开发可调谐的X射线检查机，以检查半导体芯片的不同层是否有空隙等缺陷，提高良品率。
