电子工程系

Department of Electronic Engineering

电子系刘仿在《自然·光子》(Nature Photonics)发文

                                                            ----首次实现无阈值切伦科夫辐射和片上集成自由电子光源

近日,我系黄翊东课题组刘仿副教授在《自然 ● 光子》(Nature Photonics)上发表了题为“集成无阈值切伦科夫辐射芯片”(“Integrated Cherenkov Radiation Emitter Eliminating the Electron Velocity Threshold ”)的研究成果,这是清华大学首次独立在该杂志上发表论文。

1934年P. Cherenkov发现了以他名字命名的切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation, CR)现象,彻底改变了人们对于光速和物质速度关系的认识,获得了1958年的诺贝尔物理学奖。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。在自然界已有的材料中,只有当带电粒子的飞行速度超过所在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极高能量的带电粒子,通常需要把电子加速到几十万~百万电子伏特(eV)以上。切伦克夫辐射是实现的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,在基础物理、国防军事、生物医疗、信息科学等领域具有非常重要的应用价值,但与其它类型的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,是几十年来一直未突破的一个重要基础科学问题。

(a)片上集成切伦科夫辐射源,(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)表面等离子激元周期纳米狭缝,(c)无阈值切伦科夫辐射的仿真,(d) 无阈值切伦科夫辐射的实验测试结果。

刘仿带领课题组博士生肖龙等人对人工双曲超材料中的切伦科夫辐射进行了深入研究,提出了可以产生无阈值切伦科夫辐射的条件,制备出集成了片上平面电子发射源、双曲超材料、表面等离子激元周期纳米狭缝的片上切伦科夫辐射源,实验观测到了无阈值的切伦科夫辐射,辐射波长500~900nm,电子能量仅为250~1400eV,比目前报道的同类实验所需几十万eV的电子能量降低了2~3个数量级;获得200nW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。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,同时实现了世界上首个集成自由电子光源,颠覆了传统自由电子光源需要大型电子加速器的形式,也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。

我系刘仿副教授为论文共同第一作者和通信作者,博士毕业生肖龙为论文共同第一作者,黄翊东教授为共同通信作者。该研究成果得到了973项目(2013CBA01704)和自然科学基金项目(61575104,61621064)的支持。