撰稿 | 胡昊

切倫科夫輻射在高能粒子探測領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，然而傳統(tǒng)切倫科夫探測器體積龐大，限制了其在納米光子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航天學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

近日，新加坡南洋理工大學(xué)電子電氣工程學(xué)院羅宇教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射；該新型切倫科夫輻射的發(fā)現(xiàn)不僅促進(jìn)下一代小型化切倫科夫探測器的發(fā)展，也為探測高能粒子軌跡提供新思路。同時(shí)，該工作提供了激發(fā)迪阿科諾夫表面波的新機(jī)制，開創(chuàng)迪阿科諾夫表面光子學(xué)新領(lǐng)域。

圖1：表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射效果圖

相關(guān)研究成果以 “Surface Dyakonov-Cherenkov radiation” 為題發(fā)表在 eLight上。羅宇教授為論文第一通訊作者，張柏樂教授為論文共同通訊作者，胡昊博士為論文第一作者，林曉教授為論文共同第一作者。

切倫科夫輻射指的是當(dāng)自由帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度超過光在介質(zhì)中的相速度時(shí)輻射電磁波的現(xiàn)象。自從1934年前蘇聯(lián)物理學(xué)家P.A. Cherenkov在實(shí)驗(yàn)中觀察到切倫科夫現(xiàn)象后，切倫科夫輻射在宇宙學(xué)、信息學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用。其中，高能粒子探測是切倫科夫輻射應(yīng)用的重中之重，即通過測量切倫科夫輻射角度可探測粒子的速度和種類。切倫科夫探測器的發(fā)明促進(jìn)了反質(zhì)子和J粒子等基本粒子的發(fā)現(xiàn)。由于切倫科夫輻射在基礎(chǔ)研究和工程上的重要性，在歷史上至少有六次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（包括1958年、1959年、1988年、1995年、2002年和2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）是和切倫科夫輻射緊密相關(guān)的。

雖然切倫科夫探測器在高能物理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其龐大的體積限制了其在新興領(lǐng)域的潛在應(yīng)用如納米光子學(xué)領(lǐng)域的片上自由粒子探測。因此小型化的切倫科夫探測器具有重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。而表面波的發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)小型化切倫科夫器件提供可能。

自然界中有兩類重要表面波：

1. 沿著金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子激元波；

2. 沿著雙折射介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ牡习⒖浦Z夫表面波。

自從20世紀(jì)50年代起，表面等離子激元波在顯微成像、生物傳感、熒光增強(qiáng)等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。近期研究發(fā)現(xiàn)，表面等離子激元波可有效增強(qiáng)切倫科夫輻射，從而實(shí)現(xiàn)可集成的片上切倫科夫輻射源 （Nature Photonics, 11, 289-292(2017)）。盡管如此，通過表面等離子激元波實(shí)現(xiàn)小型化切倫科夫探測器卻至今沒有進(jìn)展，主要?dú)w因于以下兩方面因素：1. 表面等離激元波的高損耗限制了切倫科夫信號的遠(yuǎn)場探測；2. 表面等離激元波的高色散限制了探測器的工作帶寬。而迪阿科諾夫表面波恰好具有低損耗、低色散特性，但由于缺少有效激勵(lì)機(jī)制，目前應(yīng)用尚不明確。

由南洋理工大學(xué)羅宇教授領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)通過研究自由帶電粒子和迪阿科諾夫表面波的電磁相互作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射，不僅為實(shí)現(xiàn)新型片上粒子探測器提供了新平臺，而且開拓迪阿科諾夫表面波的新應(yīng)用。

該科研團(tuán)隊(duì)研究了自由帶電粒子在雙折射材料表面運(yùn)動(dòng)時(shí)的輻射行為。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)自由帶電粒子速度和軌跡滿足特定條件時(shí)，粒子能夠有效激發(fā)迪阿科諾夫表面波，實(shí)現(xiàn)表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射。

表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射是目前實(shí)現(xiàn)小型化切倫科夫探測器的最佳候選。迪阿科諾夫表面波能有效增強(qiáng)切倫科夫輻射, 降低自由粒子和物質(zhì)的相互作用距離。同時(shí)迪阿科諾夫表面波具有低損耗、低色散的特點(diǎn)，因此一旦被激勵(lì)，該模式就可以在遠(yuǎn)場被探測到。

該科研團(tuán)隊(duì)還意外發(fā)現(xiàn)表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射的一個(gè)重要特點(diǎn)：輻射行為對自由粒子軌跡和速度都十分靈敏。只有當(dāng)自由粒子軌跡在某些特定方向附近時(shí)，表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射才能被激勵(lì)和探測，如圖2。該特點(diǎn)來自于迪阿科諾夫表面波的高方向性。利用該特性可精確探測自由粒子軌跡，其精度可高達(dá)10 mrad。

圖2：（a）表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射原理圖。（b） 表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射被自由粒子激勵(lì)時(shí)的電場分布（c-d）表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射未被自由粒子激勵(lì)時(shí)的電場分布

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射為切倫科夫輻射和迪阿科諾夫表面波這兩個(gè)領(lǐng)域建立聯(lián)系，并產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在切倫科夫輻射領(lǐng)域，表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射促進(jìn)實(shí)現(xiàn)下一代小型化切倫科夫探測器。同時(shí)，表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射為探測和準(zhǔn)直粒子軌跡提供技術(shù)手段，在非線性光學(xué)、超快光學(xué)、量子光學(xué)等領(lǐng)域均有重要價(jià)值。在迪阿科諾夫表面波領(lǐng)域，該研究成果解決了迪阿科諾夫表面波激發(fā)難的問題，有望開辟迪阿科諾夫表面光子學(xué)新領(lǐng)域。

論文信息

Hu, H., Lin, X., Wong, L.J. et al. Surface Dyakonov–Cherenkov radiation. eLight 2, 2 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00009-5

迪阿科諾夫表面波的創(chuàng)始人、命名人，著名物理學(xué)家Michel Dyakonov（迪阿科諾夫）在Light: Science & Applications上撰寫News & Views，高度評價(jià)該篇工作。

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00692-6

監(jiān)制 | 郭宸孜、孫婷婷、趙陽

編輯 | 趙唯

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