PRL：氮化硼賦能新型穿越輻射

穿越輻射，指的是當(dāng)自由電子在穿越兩種電磁介質(zhì)界面時(shí)所產(chǎn)生的輻射。作為一種重要的自由電子輻射現(xiàn)象，穿越輻射在粒子探測(cè)、光源、物質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，一直以來，穿越輻射的主要缺點(diǎn)是其強(qiáng)度比較弱。為了提高穿越輻射的強(qiáng)度，傳統(tǒng)的方法是提高電子的運(yùn)動(dòng)速度—電子運(yùn)動(dòng)速度越大，穿越輻射越強(qiáng)（即高速偏好的穿越輻射）。不過，這種傳統(tǒng)方法需要體積和能耗巨大的粒子加速器，不利于穿越輻射的小型化和大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。

鑒于此，近日來自浙江大學(xué)的林曉、陳紅勝教授團(tuán)隊(duì)以及以色列理工學(xué)院的Ido Kaminer教授，聯(lián)合美國(guó)萊斯大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)、香港大學(xué)的研究人員共同在物理學(xué)權(quán)威期刊Physical Review Letters上以Low-velocity-favored transition radiation為題發(fā)表重要論文，提出了一種基于超薄介電常數(shù)近零（Epsilon-Near-Zero，ENZ）材料的低速偏好穿越輻射機(jī)制。這種新型穿越輻射能夠利用低速電子產(chǎn)生與高速電子同樣強(qiáng)度的輻射，極大的提高了穿越輻射的光子提取效率。這一新機(jī)制不僅打破了過去長(zhǎng)久以來穿越輻射的高速偏好傳統(tǒng)思想窠臼，而且為基于穿越輻射的小型化芯片上微納光源和粒子探測(cè)器奠定了基礎(chǔ)。

圖1.高速電子穿過BN薄板時(shí)激發(fā)出穿越輻射。

圖源：Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

穿越輻射，是由前蘇聯(lián)物理學(xué)家Ginzburg和Frank于1946年首次提出和發(fā)現(xiàn)的。它指的是當(dāng)勻速運(yùn)動(dòng)的自由帶電粒子（如電子）在兩種不同電磁介質(zhì)的界面（或者非均勻電磁介質(zhì)）處所產(chǎn)生的電磁輻射現(xiàn)象，因此被命名為穿越輻射或者渡越輻射。

作為一個(gè)已經(jīng)有著近八十年歷史的輻射機(jī)制，穿越輻射在物理學(xué)界有許多傳統(tǒng)的印象和觀念。其中之一就是，穿越輻射的強(qiáng)度會(huì)隨著電子運(yùn)動(dòng)速度的增加而增大，并且在相對(duì)論速度范圍內(nèi)，輻射的強(qiáng)度與電子運(yùn)動(dòng)的洛倫茲因子成正比。這一規(guī)律指導(dǎo)了過去幾十年以來的穿越輻射在粒子速度探測(cè)方面的應(yīng)用。

不過，近年來，隨著二維材料等各種新型電磁材料的涌現(xiàn)，穿越輻射這一古老的研究領(lǐng)域也迎來了新的可能性，對(duì)于穿越輻射的許多傳統(tǒng)觀念也需要重新審視。

氮化硼（BN）是一種典型的二維材料，具有諸多非常新穎的電磁性質(zhì)。尤其是，氮化硼在紅外波段擁有兩個(gè)代表性的剩余射線輻射帶（Reststrahlen Band），在這兩個(gè)頻段中氮化硼展現(xiàn)出了雙曲色散的性質(zhì)，并能夠支持雙曲聲子極化激元的產(chǎn)生和傳播。與此同時(shí)，在24.5THz頻點(diǎn)處，氮化硼的介電常數(shù)之一展露出ENZ的性質(zhì)。

圖2. 低速偏好穿越輻射的能譜和光子提取效率。

圖源：Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

在這篇論文中，研究人員理論計(jì)算了高速電子垂直穿過一個(gè)1nm厚度氮化硼薄板時(shí)候所激發(fā)出的穿越輻射。文章發(fā)現(xiàn)，在氮化硼具有ENZ性質(zhì)的頻段，穿越輻射會(huì)展現(xiàn)出一種奇異的低速偏好性質(zhì)：即隨著電子運(yùn)動(dòng)速度的減小，穿越輻射的強(qiáng)度會(huì)先減小而后增大，并出現(xiàn)了一個(gè)廣闊的輻射強(qiáng)度對(duì)電子速度不敏感的平帶（如圖2所示）。這個(gè)平帶意味著，我們可以利用超低速的電子產(chǎn)生于超高速電子相同強(qiáng)度的穿越輻射，因此光子的提取效率可以得到數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。例如，在圖3中，速度為0.001倍光速的電子可以產(chǎn)生與速度為0.999倍光速電子同樣強(qiáng)度的穿越輻射。

經(jīng)過詳細(xì)的解析計(jì)算，研究人員發(fā)現(xiàn)，只要滿足ENZ薄板的厚度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)這一平帶。因此，深亞波長(zhǎng)厚度的ENZ薄板是實(shí)現(xiàn)低速偏好穿越輻射的關(guān)鍵。

進(jìn)一步的，研究人員還分析了這種低速偏好穿越輻射的角譜。如圖3所示，盡管低速電子可以產(chǎn)生與高速電子同樣強(qiáng)度的穿越輻射，但是不同于高速電子穿越輻射擁有的極強(qiáng)方向性，低速電子的穿越輻射的方向更廣，而且更多集中在平行于薄板的方向上。作為對(duì)比，在沒有ENZ性質(zhì)的頻段，穿越輻射在低速下的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高速下的輻射強(qiáng)度。

圖3.  低速偏好穿越輻射的角譜和電磁場(chǎng)圖。

圖源：Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

研究人員將這一新型低速偏好穿越輻射的物理機(jī)制歸因于ENZ材料中的Ferrell-Berreman 電磁模式的干涉。因?yàn)檫@種低速偏好穿越輻射在單界面的空氣/ENZ材料結(jié)構(gòu)中并不會(huì)出現(xiàn)，而是在空氣/ENZ材料/空氣的雙界面結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)。

此外，文章還指出，由于目前ENZ材料在微波到紫外頻段都廣泛存在，這一新型的低速偏好穿越輻射將在諸多頻段發(fā)揮價(jià)值，從而推動(dòng)新型光源和粒子探測(cè)器的產(chǎn)生。尤其是，有一些超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新型未知粒子，其運(yùn)動(dòng)速度很低，難以用傳統(tǒng)的粒子探測(cè)器探測(cè)；這種低速偏好穿越輻射將在未來暗物質(zhì)的探測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

綜合起來，以二維材料為代表的新型電磁材料為傳統(tǒng)電磁學(xué)提供了全新的平臺(tái)和可能性。未來，隨著二維材料研究的進(jìn)一步深入，以及其相應(yīng)加工制備工藝的成熟，電磁學(xué)將會(huì)有更多新物理、新機(jī)制、新現(xiàn)象涌現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：Jialin Chen, Ruoxi Chen, Fuyang Tay, Zheng Gong, Hao Hu, Yi Yang, Xinyan Zhang, Chan Wang, Ido Kaminer, Hongsheng Chen, Baile Zhang, and Xiao Lin . Low-velocity-favored transition radiation, Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.113002