中国科学院
表面Dyakonov-Cherenkov辐射示意图
用Dyakonov面波研究切伦科夫辐射的场型
没有Dyakonov面波的切伦科夫辐射的场型
信用:郝、胡、林、 最近，由教授领导的研究小组
南洋理工大学电气与电子工程学院的罗瑜发现了表面Dyakonov-Cherenkov辐射
这种新型切伦科夫辐射不仅预示了下一代小型化的切伦科夫探测器，而且为探测粒子轨迹提供了不可或缺的途径
此外，这项工作为激发Dyakonov表面波提供了一条可行的途径，开辟了Dyakonov表面光学的一个新的研究领域
切伦科夫辐射指的是来自快速带电粒子的光子发射，其速度大于光在周围物质中的相速度
自从苏联物理学家P
A
切伦科夫1934年，切伦科夫辐射被广泛探索和应用于从宇宙学和信息到医学和生命科学的许多研究领域
在所有这些应用中，高能粒子的检测(即
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从光子发射的方向识别被探测粒子的类型)是最重要的一个
在切伦科夫辐射的帮助下，科学家发现了许多基本粒子，包括反质子和J粒子
由于其对基础研究和实际应用的影响，切伦科夫辐射及其相关应用至少获得了六项诺贝尔物理学奖(分别于1958年、1959年、1988年、1995年、2002年和2015年)
尽管切伦科夫探测器广泛应用于高能和粒子物理领域，但其庞大的体积阻碍了其在芯片粒子探测等新兴研究领域的应用
因此，实现小型化粒子探测器有可能拓宽切伦科夫探测的应用
在两种不同材料的界面上传播的表面波为此目标提供了一种可能的解决方案
一般来说，表面波在自然界中有两个主要分支:沿金属介电界面传播的表面等离子体；和沿双折射材料表面传播的Dyakonov表面波
自20世纪50年代以来，表面等离子体被广泛应用于表面增强拉曼光谱、表面增强传感和表面增强荧光等领域
最近，表面等离子体激元被用于增强切伦科夫辐射和实现集成切伦科夫光源(Nature Photonics，(2017))
然而，实现具有表面等离子体激元的小型化切伦科夫探测器仍然具有挑战性，主要有两个原因:(1)显著的金属耗散阻碍了远场切伦科夫信号的检测；(2)等离子体激元的强色散对探测器的工作带宽有固有的限制
相反，Dyakonov表面波可以在全介质平台中激发，损耗可以忽略不计，色散很弱
尽管有这些优点，但由于缺乏有效的激发机制，Dyakonov表面波的应用迄今为止相当有限
这个由教授领导的研究小组
南洋理工大学的罗瑜发现了一种新型的自由电子辐射，即表面Dyakonov-Cherenkov辐射
这是通过探索自由带电粒子和Dyakonov表面波之间的相互作用来实现的
这一发现不仅促进了小型化切伦科夫探测器的发展，也可能激发未来对Dyakonov表面波的探索
研究小组研究了在双折射晶体表面移动的快速带电粒子的发射行为
他们发现，当粒子速度和轨迹满足特定条件时，快速带电粒子允许以Dyakonov表面波的形式进行有效的光子发射
表面Dyakonov-Cherenkov辐射是在芯片上实现小型化粒子探测器的最佳候选之一
首先，Dyakonov表面波可以显著增强光子发射，为减小快速带电粒子和物质的相互作用长度提供了一条可行的途径
其次，由于Dyakonov表面波的耗散损耗可以忽略不计，色散很弱，发射的光子可以很容易地在远场收集
值得注意的是，研究小组还发现，表面Dyakonov-Cherenkov辐射的激发对粒子轨迹和速度值都非常敏感
只有当粒子轨迹落在特定方向附近时，才允许表面Dyakonov-Cherenkov辐射
这种独特的性质是由Dyakonov表面波的方向性造成的
它允许表面Dyakonov-Cherenkov辐射探测粒子轨迹，精度高达10毫拉德
这项工作中研究的表面Dyakonov-Cherenkov辐射也弥补了Cherenkov辐射和Dyakonov表面波之间的研究空白，可能对这两个领域产生深远的影响
在切伦科夫辐射领域，这项工作不仅促进了下一代小型化切伦科夫探测器的发展，而且提供了跟踪和准直粒子束的独特技术，这在非线性、超快和量子光学中是非常需要的
在Dyakonov表面波领域，本文揭示的有效激发机制可能为Dyakonov表面光学开辟一个新的研究领域
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