國家納米中心在雙曲自然材料中實現(xiàn)紅外頻段的反向切倫科夫輻射

為了構(gòu)建基于極化激元的光電集成回路，迫切需要研發(fā)可在片上集成的納米光源作為信息輸入端口。切倫科夫輻射是由當帶電粒子高速掠過介質(zhì)表面激發(fā)的電磁輻射，是構(gòu)筑片上納米光源的重要路徑。反向切倫科夫輻射具有帶電粒子運動方向與產(chǎn)生電磁輻射相反的特點，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(zhì)。前期已有報道在超構(gòu)材料中獲得了微波頻段的反向切倫科夫輻射，但隨著頻率提升該結(jié)構(gòu)電磁損耗呈指數(shù)上升，如何獲得紅外頻段的反向切倫科夫輻射仍是挑戰(zhàn)。

與上述超構(gòu)材料中通過空間結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得負折射率的思路不同，天然晶體中的負群速度色散的極化激元模式也有望實現(xiàn)反向切倫科夫輻射。近年來，中國科學(xué)院國家納米科學(xué)中心研究員戴慶團隊利用特色電子激發(fā)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(fā)現(xiàn)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范圍內(nèi)具有負群速度，為實現(xiàn)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(yīng)，有利于降低激發(fā)輻射所需的帶電粒子速度閾值。

該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(xiàn)象，即由金屬天線的等離激元（類比運動的帶電粒子）來激發(fā)聲子極化激元反向輻射傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)構(gòu)筑氧化鉬和六方氮化硼范德華異質(zhì)結(jié)，能夠進一步調(diào)控輻射角度和品質(zhì)因子，從而提升納米光源的品質(zhì)。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(fā)的難題提供新思路，并為實現(xiàn)光電集成回路中片上光源提供重要材料平臺。

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