清華重大突破: 無論速度多慢的電子都可以輻射電磁波

2021-01-15 材料科學與工程


4月11日，電子系黃翊東教授課題組劉仿副教授在《自然·光子》（Nature Photonics）上發表了「集成無閾值切倫科夫輻射晶片」（「Integrated Cherenkov Radiation Emitter Eliminating the Electron Velocity Threshold 」）的研究成果，首次實現了無閾值切倫科夫輻射，並研製出片上集成自由電子光源。該成果顛覆了傳統自由電子光源的形式，也使得在晶片上研究飛行電子與微納結構的相互作用成為可能。


1934年，前蘇聯物理學家切倫科夫(Pavel A. Cherenkow,1904-1990)發現，高速帶電粒子在透明介質中穿行時會發出一種淡藍色的微弱可見光，這種微弱的可見光輻射總強度與入射帶電粒子的速度和數量成正相關。這就是以他名字命名的切倫科夫輻射（Cherenkov Radiation, CR）現象，這項發現徹底改變了人們對於光速和物質速度關係的認識。切倫科夫、弗蘭克（Ilja M . Frank,1908-1990）、塔姆（Igor Y . Tamm,1885-1971）因發現並解釋了切倫科夫輻射，共同獲得了1958年度諾貝爾物理學獎。此後，切倫科夫輻射在發現反質子、J粒子、中微子振蕩等基本粒子的物理研究中起到了關鍵作用。 


(a)片上集成切倫科夫輻射源，(b)電子顯微鏡照片：（左）片上平面電子發射源、（中）雙曲超材料、（右）表面等離子激元周期納米狹縫。


根據切倫科夫輻射原理，當帶電粒子在某種材料中勻速運動時，只有其飛行速度超過材料中的光速時才能產生切倫科夫輻射，因此獲得這一現象需要將帶電粒子加速到極高的速度。例如，在水中產生切倫科夫輻射的電子速度需達到約0.7倍真空光速c，對應電子能量為30萬電子伏特。經過科學家們幾十年的努力，光頻段產生切倫科夫輻射的最小電子速度仍需2萬電子伏特。


自由電子雷射光源在基礎物理、國防軍事、生物醫療、信息科學等領域具有重要應用價值。切倫科夫輻射是實現自由電子雷射光源的有效途徑之一，理論上可在任意波段產生激射。但與其它類型自由電子雷射器一樣，需要龐大（數米～數千米）的電子加速器才能產生光頻輻射。如何降低產生切倫科夫輻射的電子能量閾值，是幾十年來一直未能突破的一個重大基礎科學問題。 


無閾值切倫科夫輻射的仿真。


黃翊東教授課題組於2004年開始微納結構光電子器件的研究，在微納結構光電子物理及製作工藝、測試技術上積累了國際領先優勢。課題組劉仿副教授帶領課題組博士生肖龍等人，在對人工雙曲超材料中切倫科夫輻射研究過程中發現，在雙曲超材料中無論電子速度多慢都可以產生輻射，即，可以實現無閾值的切倫科夫輻射。 


無閾值切倫科夫輻射的實驗測試結果。


為驗證這一重大發現，課題組成員經過兩年多的不懈努力，連續攻克了片上平面電子發射源、雙曲超材料、表面等離子激元周期狹縫等納米結構製作和測試的諸多瓶頸難點，讓電子從幾十納米曲率半徑的鉬尖端發射出來後，在晶片表面保持40納米距離直線飛行200微米，最終觀測到了無閾值的切倫科夫輻射。輻射波長為500～900納米，電子能量僅為250～1400電子伏特，比目前報導的同類實驗所需幾十萬電子伏特的電子能量降低了2～3個數量級。實驗獲得了200納瓦的輻射光輸出功率，與其它利用納米結構獲得的切倫科夫輻射相比，輸出功率高了2個數量級以上。


這一實驗結果不僅從根本上解決了科學界幾十年來的難題，消除了產生切倫科夫輻射的電子能量閾值，實現了世界上首個集成自由電子光源，更顛覆了傳統自由電子光源需要大型電子加速器的固有範式，使得在晶片上研究飛行電子與微納結構的相互作用成為可能。


電子系劉仿副教授為論文共同第一作者和通信作者，博士畢業生肖龍為論文共同第一作者，黃翊東教授為共同通信作者。該研究成果得到了973項目（2013CBA01704）和自然科學基金項目（61575104，61621064）的支持。


《自然·光子》（Nature Photonics）（影響因子31）

發表時間：2017年4月11日

論文連結：

http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.45.htm


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來源：清華大學。編輯：溪谷

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