科學家實現紅外頻段的反向切倫科夫輻射

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為了構建基于極化激元的光電集成回路，迫切需要研發可在片上集成的納米光源作為信息輸入端口。“反向切倫科夫輻射”具有帶電粒子運動方向與產生電磁輻射方向相反的特點，可以有效屏蔽運動粒子對輻射電磁波的干擾，從而顯著提升納米光源的品質。

5月3日，國家納米科學中心戴慶研究團隊在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表論文，報道了天然氧化鉬I型雙曲頻帶上觀測到的聲子極化激元反向切倫科夫輻射現象。

論文共同通訊作者楊曉霞介紹，前期已有報道在超構材料中獲得微波頻段的反向切倫科夫輻射，但隨著頻率提升該結構電磁損耗呈指數上升，如何獲得紅外頻段的反向切倫科夫輻射仍然是一項艱巨挑戰。

為獲得紅外頻段的反向切倫科夫輻射，研究團隊將目光從超構材料轉移到天然晶體上。他們認為，與上述超構材料中通過空間結構設計獲得負折射率的思路不同，天然晶體中具有負群速度色散的極化激元模式也有望實現反向切倫科夫輻射。這種利用天然晶體獲得紅外頻段的反向切倫科夫輻射的方式可以避免由于微納結構制造技術引起的電磁損耗。

戴慶介紹，近年來，他帶領研究團隊利用特色電子激發極化激元理論模型和實驗表征方法，在雙折射晶體（如六方氮化硼和氧化鉬等范德華材料）中發現了具有雙曲色散的聲子極化激元。“這種雙曲聲子極化激元一方面在中紅外頻段具有負群速度，為實現反向切倫科夫輻射提供了必要條件，另一方面具有顯著的慢光效應，有利于降低激發輻射所需的帶電粒子速度閾值。”他說。

在最新發表的工作中，研究團隊通過進一步研究，在天然氧化鉬I型雙曲頻帶上觀測到聲子極化激元反向切倫科夫輻射現象，即由金屬天線的等離激元（類比運動的帶電粒子）來激發聲子極化激元反向切倫科夫輻射。

研究發現，通過改變帶電粒子的運動方向，可以不對稱地重塑反向切倫科夫輻射的分布。此外，通過原子制造技術構筑氧化鉬和六方氮化硼范德華異質結，能夠進一步調控輻射角度和品質因子，從而提升納米光源的品質。

研究人員期待，這項研究成果有望為解決光頻段反向切倫科夫輻射高效激發的難題提供新思路，并為實現光電集成回路中片上光源提供重要材料平臺。

國家納米科學中心戴慶研究員和楊曉霞研究員為該文章的共同通訊作者，國家納米科學中心特別研究助理郭相東和2018級博士生吳晨晨為共同一作。

極化激元反向切倫科夫輻射的示意圖（研究團隊供圖）