我國科學家研製出可集成切倫科夫輻射晶元

近期，清華大學劉仿副教授在Nature Photonics發文，研製出首個無閾值可集成切倫科夫輻射器。該切倫科夫輻射器，打破了傳統切倫科夫輻射器體積大，難以集成的瓶頸，實現了體積小可集成的切倫科夫輻射晶元。並且，在該切倫科夫輻射器對電子運動速度不做要求，即使電子以任意飛行速度，均可以產生切倫科夫輻射，顛覆了傳統的認知。

1、什麼是切倫科夫輻射？

當帶電粒子的速度（v）大於背景介質里的光速（真空光速/折射率）時，帶電粒子就會輻射出電磁波，這就是所謂的切倫科夫輻射。比如，電子以0.5倍真空光速飛行，入射到相對摺射率為3的介質時，在這種介質裡面光速為1/3倍真空光速，那麼0.5>0.3333，電子跑得比光要快，那麼電子就輻射出電磁波。

這種輻射在生活中還是很常見的，比如超音速飛機產生的聲爆或輪船在水面行駛時的錐形波紋。

圖1、摩托艇產生的切倫科夫輻射

圖2、火箭產生的激波

利用切倫科夫輻射製成的測定高速粒子的探測器可做成切倫科夫計數器，用於探測高速粒子，被廣泛應用於高能物理和宇宙線實驗中，在核物理和粒子物理髮展史上起過重要作用。

2、雙曲線形超材料。

從上面分析我們可以知道，要想使電子以較小能量產生切倫科夫輻射，那麼背景介質的折射率要越大越好。雙曲線形介質正好可以滿足這一點。

什麼是雙曲線形介質呢？它是指材料的空間色散是一條雙曲線，如下圖。這裡的k越大，代表材料的折射率越大，由於雙曲線的值沿漸近線方向可以無窮大，所以能夠產生很大的等效折射率。

在實驗中，雙曲線形介質，可以用金薄膜（負介電常數）和二氧化硅薄膜（正介電常數）的交替層狀超材料實現。

3、集成切倫科夫輻射器。

劉等人的工作就是利用雙曲線形超材料來產生很大的折射率，從而降低電子輻射所需的能量，可以更加容易的實現。與以往的工作不同，以前的很多工作都是把電子打到材料裡面，而在該工作中，電子是在材料的表面跑。此時，電子需要比較靠近超材料表面，這樣才能有效地耦合到表面等離子體激元上去。

實驗設置圖如下。電子從電子發射器發射出來，然後在雙曲線超材料表面跑，電子能量耦合到材料裡面的等離子體表面激元，然後傳播到背後的光柵，最後輻射到空氣中，從而可以被光探測器探測到。

劉等人理論上證明，在這種方法中，電子的速度只要小於某個值就一定可以產生切倫科夫輻射，這與傳統的方法剛好相反。這非常反直觀，對切倫科夫輻射方向的發展有重要的意義。

我認為該工作的主要創新點如下：

一、把切倫科夫輻射系統集成到了一個很小的晶元中，以往都需要一些很複雜的加速器來實現。

二、理論上提出了一種電子能量無閾值的切倫科夫輻射方案，即任意電子運動速度均可以產生切倫科夫輻射。

References

1、Liu, F., Xiao, L., Ye, Y., Wang, M., Cui, K., Feng, X., Zhang, W. and Huang, Y., 2017. Integrated Cherenkov radiation emitter eliminating the electron velocity threshold. Nature Photonics, 11(5), pp.289-292.

2、Silveirinha, M., 2017. Metamaterials: A low-energy Cherenkov glow. Nature Photonics, 11, pp.269-271.