PRL：氮化硼賦能新型穿越輻射

穿越輻射，指的是當自由電子在穿越兩種電磁介質界面時所產生的輻射。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、光源、物質結構探測等領域具有重要的應用價值。然而，一直以來，穿越輻射的主要缺點是其強度比較弱。為了提高穿越輻射的強度，傳統(tǒng)的方法是提高電子的運動速度—電子運動速度越大，穿越輻射越強（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)應用。

鑒于此，近日來自浙江大學的林曉、陳紅勝教授團隊以及以色列理工學院的Ido Kaminer教授，聯(lián)合美國萊斯大學、新加坡南洋理工大學、香港大學的研究人員共同在物理學權威期刊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制。這種新型穿越輻射能夠利用低速電子產生與高速電子同樣強度的輻射，極大的提高了穿越輻射的光子提取效率。這一新機制不僅打破了過去長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器奠定了基礎。

圖1.高速電子穿過BN薄板時激發(fā)出穿越輻射。

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

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

作為一個已經(jīng)有著近八十年歷史的輻射機制，穿越輻射在物理學界有許多傳統(tǒng)的印象和觀念。其中之一就是，穿越輻射的強度會隨著電子運動速度的增加而增大，并且在相對論速度范圍內，輻射的強度與電子運動的洛倫茲因子成正比。這一規(guī)律指導了過去幾十年以來的穿越輻射在粒子速度探測方面的應用。

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域也迎來了新的可能性，對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。尤其是，氮化硼在紅外波段擁有兩個代表性的剩余射線輻射帶（Reststrahlen Band），在這兩個頻段中氮化硼展現(xiàn)出了雙曲色散的性質，并能夠支持雙曲聲子極化激元的產生和傳播。與此同時，在24.5THz頻點處，氮化硼的介電常數(shù)之一展露出ENZ的性質。

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

經(jīng)過詳細的解析計算，研究人員發(fā)現(xiàn)，只要滿足ENZ薄板的厚度遠小于波長，就會出現(xiàn)這一平帶。因此，深亞波長厚度的ENZ薄板是實現(xiàn)低速偏好穿越輻射的關鍵。

進一步的，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生與高速電子同樣強度的穿越輻射，但是不同于高速電子穿越輻射擁有的極強方向性，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。作為對比，在沒有ENZ性質的頻段，穿越輻射在低速下的輻射強度遠遠小于高速下的輻射強度。

圖3.  低速偏好穿越輻射的角譜和電磁場圖。

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制歸因于ENZ材料中的Ferrell-Berreman 電磁模式的干涉。因為這種低速偏好穿越輻射在單界面的空氣/ENZ材料結構中并不會出現(xiàn)，而是在空氣/ENZ材料/空氣的雙界面結構中出現(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)揮價值，從而推動新型光源和粒子探測器的產生。尤其是，有一些超越標準模型的新型未知粒子，其運動速度很低，難以用傳統(tǒng)的粒子探測器探測；這種低速偏好穿越輻射將在未來暗物質的探測方面具有獨特的優(yōu)勢。

綜合起來，以二維材料為代表的新型電磁材料為傳統(tǒng)電磁學提供了全新的平臺和可能性。未來，隨著二維材料研究的進一步深入，以及其相應加工制備工藝的成熟，電磁學將會有更多新物理、新機制、新現(xiàn)象涌現(xiàn)。

參考文獻：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