撰稿 | 胡昊

切倫科夫輻射在高能粒子探測領域發揮著關鍵作用，然而傳統切倫科夫探測器體積龐大，限制了其在納米光子學、生物醫學、航天學等領域的應用。

近日，新加坡南洋理工大學電子電氣工程學院羅宇教授領導的科研團隊發現了表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射；該新型切倫科夫輻射的發現不僅促進下一代小型化切倫科夫探測器的發展，也為探測高能粒子軌跡提供新思路。同時，該工作提供了激發迪阿科諾夫表面波的新機制，開創迪阿科諾夫表面光子學新領域。

圖1：表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射效果圖

相關研究成果以 “Surface Dyakonov-Cherenkov radiation” 為題發表在 eLight上。羅宇教授為論文第一通訊作者，張柏樂教授為論文共同通訊作者，胡昊博士為論文第一作者，林曉教授為論文共同第一作者。

切倫科夫輻射指的是當自由帶電粒子的運動速度超過光在介質中的相速度時輻射電磁波的現象。自從1934年前蘇聯物理學家P.A. Cherenkov在實驗中觀察到切倫科夫現象后，切倫科夫輻射在宇宙學、信息學、生命科學、醫學等領域得到廣泛研究和應用。其中，高能粒子探測是切倫科夫輻射應用的重中之重，即通過測量切倫科夫輻射角度可探測粒子的速度和種類。切倫科夫探測器的發明促進了反質子和J粒子等基本粒子的發現。由于切倫科夫輻射在基礎研究和工程上的重要性，在歷史上至少有六次諾貝爾物理學獎（包括1958年、1959年、1988年、1995年、2002年和2015年諾貝爾物理學獎）是和切倫科夫輻射緊密相關的。

雖然切倫科夫探測器在高能物理領域得到廣泛應用，但其龐大的體積限制了其在新興領域的潛在應用如納米光子學領域的片上自由粒子探測。因此小型化的切倫科夫探測器具有重要實際應用價值。而表面波的發現為實現小型化切倫科夫器件提供可能。

自然界中有兩類重要表面波：

1. 沿著金屬-介質界面傳播的表面等離子激元波；

2. 沿著雙折射介質表面傳播的迪阿科諾夫表面波。

自從20世紀50年代起，表面等離子激元波在顯微成像、生物傳感、熒光增強等領域已有廣泛應用。近期研究發現，表面等離子激元波可有效增強切倫科夫輻射，從而實現可集成的片上切倫科夫輻射源 （Nature Photonics, 11, 289-292(2017)）。盡管如此，通過表面等離子激元波實現小型化切倫科夫探測器卻至今沒有進展，主要歸因于以下兩方面因素：1. 表面等離激元波的高損耗限制了切倫科夫信號的遠場探測；2. 表面等離激元波的高色散限制了探測器的工作帶寬。而迪阿科諾夫表面波恰好具有低損耗、低色散特性，但由于缺少有效激勵機制，目前應用尚不明確。

由南洋理工大學羅宇教授領導的科研團隊通過研究自由帶電粒子和迪阿科諾夫表面波的電磁相互作用機制，發現了表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射，不僅為實現新型片上粒子探測器提供了新平臺，而且開拓迪阿科諾夫表面波的新應用。

該科研團隊研究了自由帶電粒子在雙折射材料表面運動時的輻射行為。研究發現當自由帶電粒子速度和軌跡滿足特定條件時，粒子能夠有效激發迪阿科諾夫表面波，實現表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射。

表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射是目前實現小型化切倫科夫探測器的最佳候選。迪阿科諾夫表面波能有效增強切倫科夫輻射, 降低自由粒子和物質的相互作用距離。同時迪阿科諾夫表面波具有低損耗、低色散的特點，因此一旦被激勵，該模式就可以在遠場被探測到。

該科研團隊還意外發現表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射的一個重要特點：輻射行為對自由粒子軌跡和速度都十分靈敏。只有當自由粒子軌跡在某些特定方向附近時，表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射才能被激勵和探測，如圖2。該特點來自于迪阿科諾夫表面波的高方向性。利用該特性可精確探測自由粒子軌跡，其精度可高達10 mrad。

圖2：（a）表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射原理圖。（b） 表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射被自由粒子激勵時的電場分布（c-d）表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射未被自由粒子激勵時的電場分布

該研究團隊發現的表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射為切倫科夫輻射和迪阿科諾夫表面波這兩個領域建立聯系，并產生深遠影響。在切倫科夫輻射領域，表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射促進實現下一代小型化切倫科夫探測器。同時，表面迪阿科諾夫-切倫科夫輻射為探測和準直粒子軌跡提供技術手段，在非線性光學、超快光學、量子光學等領域均有重要價值。在迪阿科諾夫表面波領域，該研究成果解決了迪阿科諾夫表面波激發難的問題，有望開辟迪阿科諾夫表面光子學新領域。

論文信息

Hu, H., Lin, X., Wong, L.J. et al. Surface Dyakonov–Cherenkov radiation. eLight 2, 2 (2022).

https://doi.org/10.1186/s43593-021-00009-5

迪阿科諾夫表面波的創始人、命名人，著名物理學家Michel Dyakonov（迪阿科諾夫）在Light: Science & Applications上撰寫News & Views，高度評價該篇工作。

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00692-6

監制 | 郭宸孜、孫婷婷、趙陽

編輯 | 趙唯

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