切伦科夫辐射是指快速带电粒子以大于周围材料中光的相速度的速度运动的光子发射。自 1934 年苏联物理学家 PA Cherenkov 对其进行实验观察以来,Cherenkov 辐射得到了广泛的探索和应用,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(即从光子发射方向识别被检测粒子的类型)是最重要的一种。在切伦科夫辐射的帮助下,科学家们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,
尽管切伦科夫探测器广泛应用于高能和粒子物理学,但其庞大的尺寸阻碍了其在芯片上粒子检测等新兴研究领域的应用。因此,实现小型化粒子检测器可能会拓宽 Cherenkov 检测的应用范围。在两种不同材料的界面处传播的表面波为实现这一目标提供了可能的解决方案。
一般来说,自然界中的表面波主要有两大分支:1、沿金属介电界面传播的表面等离子体;2,Dyakonov 表面波沿双折射材料的表面传播。
自 1950 年代以来,表面等离子体激元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。最近,表面等离子体被用来增强切伦科夫辐射并实现集成切伦科夫光源(Nature Photonics, 11 , 289-292(2017))。然而,具有表面等离子体激元的小型化切伦科夫探测器的实现仍然具有挑战性,主要是由于以下两个原因:1.显着的金属耗散阻碍了远场切伦科夫信号的检测;2.等离子激元的强色散对探测器的工作带宽提出了固有的限制。相反,Dyakonov 表面波可以在全介电平台中激发,其耗散损耗可忽略不计,色散较弱。
南洋理工大学罗宇教授领导的研究小组发现了一种新型的自由电子辐射,即表面Dyakonov-Cherenkov辐射。它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微型切伦科夫探测器的发展,而且可能会激发未来对 Dyakonov 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,快速带电粒子允许根据 Dyakonov 表面波进行有效的光子发射。
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