无阈值切伦科夫辐射实现芯片上的自由电子光源

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1934年,前苏联物理学家切伦科夫(Pavel A. Cherenkov ,1904-1990)发现,高速带电粒子在透明介质中穿行时会发出一种淡蓝色的微弱可见光,这种微弱的可见光辐射总强度与入射带电粒子的速度和粒子数量相关。这就是以他名字命名的切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation, CR)现象,这项发现彻底改变了人们对于光速和物质速度关系的认识。切伦科夫、弗兰克(Ilya M . Frank,1908-1990)、塔姆(Igor Y . Tamm,1895-1971)因发现并解释了切伦科夫辐射,共同分享了1958年度诺贝尔物理学奖。此后,切伦科夫辐射在发现反质子、J粒子、中微子振荡等基本粒子的物理研究中起到了关键作用。

根据切伦科夫辐射原理,当带电粒子在某种材料中匀速运动时,只有其飞行速度超过材料中的光速时才能产生切伦科夫辐射,因此获得这一现象需要将带电粒子加速到极高的速度。例如,在水中产生切伦科夫辐射的电子速度需达到约0.7倍真空光速c,对应电子能量为30万电子伏特。经过科学家们几十年的努力,光频段产生切伦科夫辐射的最小电子能量仍需2万电子伏特。自由电子激光光源在基础物理、国防军事、生物医疗、信息科学等领域具有重要应用价值。切伦科夫辐射是实现自由电子激光光源的有效途径之一,理论上可在任意波段产生激射。但与其它类型自由电子激光器一样,需要庞大(几米~数千米)的电子加速器才能产生光频辐射。如何降低产生切伦科夫辐射的电子能量阈值,是几十年来一直未能突破的一个重大基础科学问题。

图1 片上集成切伦科夫辐射源。(a)结构示意图,(b)电子显微镜照片:(左)片上平面电子发射源、(中)双曲超材料、

(右)表面等离激元周期纳米狭缝。

黄翊东教授课题组于2004年开始微纳结构光电子器件的研究,在微纳结构光电子物理及制作工艺、测试技术上积累了国际领先优势。课题组刘仿副教授带领课题组博士生肖龙等人,在对人工双曲超材料中切伦科夫辐射进行研究过程中发现,在双曲超材料中无论电子速度多慢都可以产生辐射,即可以实现无阈值的切伦科夫辐射!

图2 双曲超材料中低能量电子激励切伦科夫辐射的仿真结果。

为验证这一重大理论发现,课题组成员经过两年多的努力,克服了片上平面电子发射源、双曲超材料、表面等离激元周期狭缝等纳米结构制作和测试的诸多难点,让电子从几十纳米曲率半径的钼尖端发射出来后,在芯片表面保持40纳米距离直线飞行200微米,最终观测到了无阈值的切伦科夫辐射。辐射波长为500~900纳米,电子能量仅为250~1400电子伏特,比目前报道的同类实验所需几十万电子伏特的电子能量降低了2~3个数量级。实验获得了200纳瓦的辐射光输出功率,与其它利用纳米结构获得的切伦科夫辐射相比,输出功率高了2个数量级以上。

图3 片上集成切伦科夫辐射源测试结果。(a) 不同电子能量下的辐射功率,(b) 不同周期纳米狭缝下的辐射光谱。

这一实验结果不仅从根本上解决了科学界几十年来的难题,消除了产生切伦科夫辐射的电子能量阈值,实现了世界上首个集成自由电子光源,更颠覆了传统自由电子光源需要大型电子加速器的固有范式,使得在芯片上研究飞行电子与微纳结构的相互作用成为可能。该成果近期发表在Nature Photonics [11, 289–292 (2017)]上。

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