清華電子系劉仿等的重大突破：

無(wú)論速度多慢的電子都可以輻射電磁波

首次實(shí)現(xiàn)無(wú)閾值切倫科夫輻射 顛覆傳統(tǒng)自由電子光源形式

清華新聞網(wǎng)4月12日電  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(fā)表了“集成無(wú)閾值切倫科夫輻射芯片”（“Integrated Cherenkov Radiation Emitter Eliminating the Electron Velocity Threshold ”）的研究成果，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)閾值切倫科夫輻射，并研制出片上集成自由電子光源。該成果顛覆了傳統(tǒng)自由電子光源的形式，也使得在芯片上研究飛行電子與微納結(jié)構(gòu)的相互作用成為可能。

1934年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家切倫科夫(Pavel A. Cherenkow,1904-1990)發(fā)現(xiàn)，高速帶電粒子在透明介質(zhì)中穿行時(shí)會(huì)發(fā)出一種淡藍(lán)色的微弱可見光，這種微弱的可見光輻射總強(qiáng)度與入射帶電粒子的速度和數(shù)量成正相關(guān)。這就是以他名字命名的切倫科夫輻射（Cherenkov Radiation, CR）現(xiàn)象，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)徹底改變了人們對(duì)于光速和物質(zhì)速度關(guān)系的認(rèn)識(shí)。切倫科夫、弗蘭克（Ilja M . Frank,1908-1990）、塔姆（Igor Y . Tamm,1885-1971）因發(fā)現(xiàn)并解釋了切倫科夫輻射，共同獲得了1958年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后，切倫科夫輻射在發(fā)現(xiàn)反質(zhì)子、J粒子、中微子振蕩等基本粒子的物理研究中起到了關(guān)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(fā)射源、（中）雙曲超材料、（右）表面等離子激元周期納米狹縫。

根據(jù)切倫科夫輻射原理，當(dāng)帶電粒子在某種材料中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有其飛行速度超過材料中的光速時(shí)才能產(chǎn)生切倫科夫輻射，因此獲得這一現(xiàn)象需要將帶電粒子加速到極高的速度。例如，在水中產(chǎn)生切倫科夫輻射的電子速度需達(dá)到約0.7倍真空光速c，對(duì)應(yīng)電子能量為30萬(wàn)電子伏特。經(jīng)過科學(xué)家們幾十年的努力，光頻段產(chǎn)生切倫科夫輻射的最小電子速度仍需2萬(wàn)電子伏特。自由電子激光光源在基礎(chǔ)物理、國(guó)防軍事、生物醫(yī)療、信息科學(xué)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。切倫科夫輻射是實(shí)現(xiàn)自由電子激光光源的有效途徑之一，理論上可在任意波段產(chǎn)生激射。但與其它類型自由電子激光器一樣，需要龐大（數(shù)米～數(shù)千米）的電子加速器才能產(chǎn)生光頻輻射。如何降低產(chǎn)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(gè)重大基礎(chǔ)科學(xué)問題。 

無(wú)閾值切倫科夫輻射的仿真。

黃翊東教授課題組于2004年開始微納結(jié)構(gòu)光電子器件的研究，在微納結(jié)構(gòu)光電子物理及制作工藝、測(cè)試技術(shù)上積累了國(guó)際領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。課題組劉仿副教授帶領(lǐng)課題組博士生肖龍等人，在對(duì)人工雙曲超材料中切倫科夫輻射研究過程中發(fā)現(xiàn)，在雙曲超材料中無(wú)論電子速度多慢都可以產(chǎn)生輻射，即，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)閾值的切倫科夫輻射。 

無(wú)閾值切倫科夫輻射的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

為驗(yàn)證這一重大發(fā)現(xiàn)，課題組成員經(jīng)過兩年多的不懈努力，連續(xù)攻克了片上平面電子發(fā)射源、雙曲超材料、表面等離子激元周期狹縫等納米結(jié)構(gòu)制作和測(cè)試的諸多瓶頸難點(diǎn)，讓電子從幾十納米曲率半徑的鉬尖端發(fā)射出來后，在芯片表面保持40納米距離直線飛行200微米，最終觀測(cè)到了無(wú)閾值的切倫科夫輻射。輻射波長(zhǎng)為500～900納米，電子能量?jī)H為250～1400電子伏特，比目前報(bào)道的同類實(shí)驗(yàn)所需幾十萬(wàn)電子伏特的電子能量降低了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。實(shí)驗(yàn)獲得了200納瓦的輻射光輸出功率，與其它利用納米結(jié)構(gòu)獲得的切倫科夫輻射相比，輸出功率高了2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅從根本上解決了科學(xué)界幾十年來的難題，消除了產(chǎn)生切倫科夫輻射的電子能量閾值，實(shí)現(xiàn)了世界上首個(gè)集成自由電子光源，更顛覆了傳統(tǒng)自由電子光源需要大型電子加速器的固有范式，使得在芯片上研究飛行電子與微納結(jié)構(gòu)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(yè)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(xiàng)目（2013CBA01704）和自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61575104，61621064）的支持。

期刊名稱：《自然·光子》（Nature Photonics）（影響因子31）

發(fā)表時(shí)間：2017年4月11日

論文鏈接：

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

供稿：電子系 編輯：悸寔 華山