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刘盛纲院士团队胡旻教授课题组在“基于新型材料结构的自由电子切伦科夫辐射”研究方向取得重要进展
文:张天宇 图:张天宇 来源:电子学院 时间:2022-07-05 5347

  近日,电子科技大学电子科学与工程学院太赫兹中心刘盛纲院士团队胡旻教授课题组,在前期(近十年时间)大量理论和实验工作的基础上,在国际上首次从理论上提出并研究了“切伦科夫辐射中的可调谐光学拓扑转变现象”。

  该研究成果以 “Tunable optical topological transition of Cherenkov radiation” 为题发表在光学和光子学一区刊物Photonics Research(最新JCR影响因子为7.254)。电子学院为论文第一作者单位和通讯作者单位(且为唯一作者单位)。赵陶副教授为论文通讯作者,2018级直博生张天宇为论文第一作者。此外,本论文的共同作者还包括电子学院刘盛纲院士、胡旻教授、宫玉彬教授、魏彦玉教授、段兆云教授,以及太赫兹中心博士生张晓秋艳、张倬铖、许星星、王月莹。

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刘盛纲院士团队胡旻教授课题组在本方向开展研究的主要人员

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胡旻教授课题组合影(2022年1月)

  课题组以石墨烯双曲超材料为例,利用自由电子作为激发手段,在详细揭示其中切伦科夫辐射光学拓扑转变基本原理和性质的基础上,还给出了两个具有创新意义和实用价值的光学拓扑转变形式:其分别对应石墨烯中的超快光热效应和非局域效应。本工作除了为各种新型材料和结构(特别是具有可调谐性的等离激元材料)中切伦科夫辐射性质的设计和分析提供标准范例外,更有望推动芯片级自由电子切伦科夫辐射器件的实现和应用。

  与刘盛纲院士团队十年前首次在Physical Review Letters上提出的理论设想(Physical Review Letters, 2012, 109(15): 153902.)相比较,本次工作在各个方面均有较大提升。其具体表现为:

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  负责本次论文审稿流程的期刊副主编是光学和光子学领域国际知名专家Yuri Kivshar教授,他是非线性物理学、非线性光子学和超材料物理学等多个方向的国际领军人物。所有审稿人对本工作的质量均给出了很高评价。整个审稿周期仅历时两个月,远低于期刊发表平均周期(124天)。

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切伦科夫辐射在石墨烯双曲超材料中的可调谐光学拓扑转变现象

Photon. Res. 10(7), 1650-1660 (2022)

  此前,课题组在2021年还在国际上首次从理论上提出并研究了“石墨烯双曲光栅中的面内高效无阈值切伦科夫辐射”。课题组以具有双光轴各向异性的双曲超材料——石墨烯双曲光栅为例,揭示了其中面内切伦科夫辐射的基本原理和性质。研究结果表明:与传统石墨烯双曲超材料面外切伦科夫辐射的功率相比,石墨烯双曲光栅中面内切伦科夫辐射的功率大了近两个数量级。并且,通过调整石墨烯双曲光栅的结构尺寸、石墨烯化学势和自由电子速度,可以完全控制切伦科夫辐射角度和强度。该研究可以与片上电子束、石墨烯双曲超表面等技术相结合,预计未来可开发出一种集成的、小型的、基于自由电子的太赫兹辐射源。

  本项成果以 “High-efficiency threshold-less Cherenkov radiation generation by a graphene hyperbolic grating in the terahertz band” 为题发表在材料科学领域国际知名刊物Carbon。电子学院为论文第一作者单位和通讯作者单位(且为唯一作者单位)。胡旻教授为论文通讯作者,博士生张晓秋艳为论文第一作者。

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石墨烯双曲光栅中的面内切伦科夫辐射

Carbon, 2021, 183: 225-231.


  研究背景:

  由刘盛纲院士所带领的太赫兹中心课题组在此研究方向上已经实现了一系列重要进展。其中,除了上述两项工作外,具有代表性的主要工作还包括:2012年,在国际上首先揭示了利用自由电子激发金属材料中的表面等离激元产生可见光频段相干增强切伦科夫辐射的物理机制(Physical Review Letters, 2012, 109(15): 153902.)。此工作尚未正式发表时,就得到了Nature Physics期刊编辑的高度评价(Nature Physics, 2012, 8(10): 704.)。2014年,为了将自由电子辐射的频段从此前的可见光频段下转至太赫兹频段,提出了利用自由电子与基于石墨烯的介质光栅结构相互作用产生太赫兹频段内的史密斯-帕赛尔(Smith-Purcell)辐射(Applied Physics Letters, 2014, 104(20): 201104.)。2017年,利用介质缓冲层打破石墨烯本身色散特性无法直接产生切伦科夫辐射的限制,实现了太赫兹频段内的等离激元切伦科夫辐射(Applied Physics Letters, 2017, 110(23): 231102.)。2017年,利用具有负折射特性的超材料,在国际上首次从实验上观察到反向切伦科夫辐射(Nature Communications, 2017, 8(1): 14901.)。2019年,利用石墨烯双曲超材料实现了太赫兹频段内“方向可控的逆渡越辐射”(Photonics Research, 2019, 7(10): 1154-1160.)。所有这些工作均以电子科技大学为第一作者单位和通讯作者单位。




编辑:赵海玲  / 审核:林坤  / 发布:陈伟