eLight | 谱写高能粒子探测新篇章

撰稿 | 胡昊

切伦科夫辐射在高能粒子探测领域发挥着关键作用，然而传统切伦科夫探测器体积庞大，限制了其在纳米光子学、生物医学、航天学等领域的应用。

近日，新加坡南洋理工大学电子电气工程学院罗宇教授领导的科研团队发现了表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射；该新型切伦科夫辐射的发现不仅促进下一代小型化切伦科夫探测器的发展，也为探测高能粒子轨迹提供新思路。同时，该工作提供了激发迪阿科诺夫表面波的新机制，开创迪阿科诺夫表面光子学新领域。

图1：表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射效果图

相关研究成果以 “Surface Dyakonov-Cherenkov radiation” 为题发表在 eLight上。罗宇教授为论文第一通讯作者，张柏乐教授为论文共同通讯作者，胡昊博士为论文第一作者，林晓教授为论文共同第一作者。

切伦科夫辐射指的是当自由带电粒子的运动速度超过光在介质中的相速度时辐射电磁波的现象。自从1934年前苏联物理学家P.A. Cherenkov在实验中观察到切伦科夫现象后，切伦科夫辐射在宇宙学、信息学、生命科学、医学等领域得到广泛研究和应用。其中，高能粒子探测是切伦科夫辐射应用的重中之重，即通过测量切伦科夫辐射角度可探测粒子的速度和种类。切伦科夫探测器的发明促进了反质子和J粒子等基本粒子的发现。由于切伦科夫辐射在基础研究和工程上的重要性，在历史上至少有六次诺贝尔物理学奖（包括1958年、1959年、1988年、1995年、2002年和2015年诺贝尔物理学奖）是和切伦科夫辐射紧密相关的。

虽然切伦科夫探测器在高能物理领域得到广泛应用，但其庞大的体积限制了其在新兴领域的潜在应用如纳米光子学领域的片上自由粒子探测。因此小型化的切伦科夫探测器具有重要实际应用价值。而表面波的发现为实现小型化切伦科夫器件提供可能。

自然界中有两类重要表面波：

1. 沿着金属-介质界面传播的表面等离子激元波；

2. 沿着双折射介质表面传播的迪阿科诺夫表面波。

自从20世纪50年代起，表面等离子激元波在显微成像、生物传感、荧光增强等领域已有广泛应用。近期研究发现，表面等离子激元波可有效增强切伦科夫辐射，从而实现可集成的片上切伦科夫辐射源 （Nature Photonics, 11, 289-292(2017)）。尽管如此，通过表面等离子激元波实现小型化切伦科夫探测器却至今没有进展，主要归因于以下两方面因素：1. 表面等离激元波的高损耗限制了切伦科夫信号的远场探测；2. 表面等离激元波的高色散限制了探测器的工作带宽。而迪阿科诺夫表面波恰好具有低损耗、低色散特性，但由于缺少有效激励机制，目前应用尚不明确。

由南洋理工大学罗宇教授领导的科研团队通过研究自由带电粒子和迪阿科诺夫表面波的电磁相互作用机制，发现了表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射，不仅为实现新型片上粒子探测器提供了新平台，而且开拓迪阿科诺夫表面波的新应用。

该科研团队研究了自由带电粒子在双折射材料表面运动时的辐射行为。研究发现当自由带电粒子速度和轨迹满足特定条件时，粒子能够有效激发迪阿科诺夫表面波，实现表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射。

表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射是目前实现小型化切伦科夫探测器的最佳候选。迪阿科诺夫表面波能有效增强切伦科夫辐射, 降低自由粒子和物质的相互作用距离。同时迪阿科诺夫表面波具有低损耗、低色散的特点，因此一旦被激励，该模式就可以在远场被探测到。

该科研团队还意外发现表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射的一个重要特点：辐射行为对自由粒子轨迹和速度都十分灵敏。只有当自由粒子轨迹在某些特定方向附近时，表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射才能被激励和探测，如图2。该特点来自于迪阿科诺夫表面波的高方向性。利用该特性可精确探测自由粒子轨迹，其精度可高达10 mrad。

图2：（a）表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射原理图。（b） 表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射被自由粒子激励时的电场分布（c-d）表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射未被自由粒子激励时的电场分布

该研究团队发现的表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射为切伦科夫辐射和迪阿科诺夫表面波这两个领域建立联系，并产生深远影响。在切伦科夫辐射领域，表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射促进实现下一代小型化切伦科夫探测器。同时，表面迪阿科诺夫-切伦科夫辐射为探测和准直粒子轨迹提供技术手段，在非线性光学、超快光学、量子光学等领域均有重要价值。在迪阿科诺夫表面波领域，该研究成果解决了迪阿科诺夫表面波激发难的问题，有望开辟迪阿科诺夫表面光子学新领域。

论文信息

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

迪阿科诺夫表面波的创始人、命名人，著名物理学家Michel Dyakonov（迪阿科诺夫）在Light: Science & Applications上撰写News & Views，高度评价该篇工作。

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

监制 | 郭宸孜、孙婷婷、赵阳

编辑 | 赵唯

欢迎课题组投稿——新闻稿

转载/合作/课题组投稿，微信：447882024

每天带您读 1 篇论文！加入>Light读书会