如何看待中国制成世界首个集成自由电子光源芯片可加速激光器小型化

谢邀。


这篇文章早在四月份就发表了，挺有意思的一篇文章，是我们领域国人发的为数不多的几篇nature 子刊之一。


1、什么是切伦科夫辐射？
当带电粒子的速度（v）大于背景介质里的光速（真空光速/折射率）时，带电粒子就会辐射出电磁波，这就是所谓的切伦科夫辐射。比如，电子以0.5倍真空光速飞行，入射到相对折射率为3的介质时，在这种介质里面光速为1/3倍真空光速，那么0.5>0.3333，电子跑得比光要快，那么电子就辐射出电磁波。
这种辐射在生活中还是很常见的，比如超音速飞机产生的声爆或轮船在水面行驶时的锥形波纹。


图1、摩托艇产生的切伦科夫辐射






图2、火箭产生的激波
利用切伦科夫辐射制成的测定高速粒子的探测器可做成切伦科夫计数器，用于探测高速粒子，被广泛应用于高能物理和宇宙线实验中，在核物理和粒子物理发展史上起过重要作用。


2、双曲线形超材料。
从上面分析我们可以知道，要想使电子以较小能量产生切伦科夫辐射，那么背景介质的折射率要越大越好。双曲线形介质正好可以满足这一点。
什么是双曲线形介质呢？它是指材料的空间色散是一条双曲线，如下图。这里的k越大，代表材料的折射率越大，由于双曲线的值沿渐近线方向可以无穷大，所以能够产生很大的等效折射率。
在实验中，双曲线形介质，可以用金薄膜（负介电常数）和二氧化硅薄膜（正介电常数）的交替层状超材料实现。




3、集成切伦科夫辐射器。
刘等人的工作就是利用双曲线形超材料来产生很大的折射率，从而降低电子辐射所需的能量，可以更加容易的实现。与以往的工作不同，以前的很多工作都是把电子打到材料里面，而在该工作中，电子是在材料的表面跑。此时，电子需要比较靠近超材料表面，这样才能有效地耦合到表面等离子体激元上去。


实验设置图如下。电子从电子发射器发射出来，然后在双曲线超材料表面跑，电子能量耦合到材料里面的等离子体表面激元，然后传播到背后的光栅，最后辐射到空气中，从而可以被光探测器探测到。


刘等人理论上证明，在这种方法中，电子的速度只要小于某个值就一定可以产生切伦科夫辐射，这与传统的方法刚好相反。这非常反直观，对切伦科夫辐射方向的发展有重要的意义。


我认为该工作的主要创新点如下：
一、把切伦科夫辐射系统集成到了一个很小的芯片中，以往都需要一些很复杂的加速器来实现。
二、理论上提出了一种电子能量无阈值的切伦科夫辐射方案，即任意电子运动速度均可以产生切伦科夫辐射。








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.

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