讓切倫科夫輻射煥發(fā)新光彩
——記清華大學電子工程系長聘副教授劉仿

□ 劉婉茹

20世紀之前的很長時間，研究者們普遍認為在介質(zhì)中運動的任何實物粒子的速度都不可能超過介質(zhì)中的光速，并且勻速運動的帶電粒子是不可能輻射電磁波的。但1934年，前蘇聯(lián)物理學家切倫科夫的發(fā)現(xiàn)卻從根本上顛覆了之前的認識。實驗發(fā)現(xiàn)，高速帶電粒子在透明介質(zhì)中穿行時會發(fā)出一種淡藍色的微弱可見光。后續(xù)研究解釋了這一現(xiàn)象：透明介質(zhì)中穿行的高速帶電粒子當其速度超過介質(zhì)中的光速時會產(chǎn)生輻射，即后來被命名的切倫科夫輻射。1958年，切倫科夫和解釋該現(xiàn)象的弗蘭克和塔姆因，一起分享了當年的諾貝爾物理學獎。

切倫科夫輻射對反質(zhì)子、J粒子、中微子振蕩等基本粒子物理研究起到了關(guān)鍵作用，在國防軍事、生物醫(yī)療、信息科學等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。但產(chǎn)生切倫科夫輻射需要極高的電子能量，通常需要借助龐大的電子加速器產(chǎn)生光頻段的輻射，且基于切倫科夫輻射的自由電子輻射源也具有較大的體積。因此，如何降低產(chǎn)生切倫科夫輻射的電子能量閾值以及如何實現(xiàn)小型化、集成化的自由電子光源便成為了長久未能突破的重大基礎(chǔ)科學問題。

劉仿

面對挑戰(zhàn)，清華大學電子工程系副教授劉仿迎難而上、大膽創(chuàng)新，在國際上首次研制出無閾值切倫科夫輻射芯片，在顛覆了傳統(tǒng)自由電子光源需要大型電子加速器固有范式的同時，更使得在芯片上研究飛行電子與微納結(jié)構(gòu)的相互作用成為了一種可能。

集成自由電子輻射芯片中國造

時至今日，切倫科夫輻射依然在粒子物理領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。要想產(chǎn)生切倫科夫輻射，帶電粒子的速度（能量）必須超過某一非常大的閾值，研究人員從發(fā)現(xiàn)該輻射開始就在思考如何降低或者消除產(chǎn)生輻射的電子速度（能量）閾值。由于一般媒質(zhì)在光學波段的折射率較小，因此所需的電子速度（能量）極高。例如，要在水中產(chǎn)生切倫科夫輻射，電子速度須大于0.75C，電子能量需超過300千電子伏；即便在此前已知產(chǎn)生切倫科夫輻射所需電子能量最小的金屬/介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)中，電子能量仍需高達20千電子伏。若要利用切倫科夫輻射原理產(chǎn)生自由電子激光，與其他類型的自由電子激光器一樣，需要龐大的加速器將電子加速到極高能量。盡管理論分析表明，光子晶體和超材料中有實現(xiàn)無閾值的切倫科夫輻射的可能，但一直沒有相關(guān)實驗報道。

在原“973”計劃項目課題和國家自然科學基金項目的支持下，清華大學電子工程系黃翊東教授團隊的劉仿副教授、肖龍博士生等人在研究人工雙曲超材料中的切倫科夫輻射時發(fā)現(xiàn)，在雙曲超材料中，無論勻速運動的電子的速度多低都可以產(chǎn)生輻射，也就是說，電子速度不再是限制切倫科夫輻射產(chǎn)生的必要條件，在雙曲超材料中可以實現(xiàn)無閾值的切倫科夫輻射。這意味著芯片上的自由電子光源成為了可能，未來新形式的自由電子光源和探測器有望出現(xiàn)。

在電子速度（能量）較低的情況下，電子周圍的消逝電磁場具有極大的波矢，即極小的波長。若要在非常低的電子速度下產(chǎn)生切倫科夫輻射，需要將極小波長的電磁波消逝場輻射到自由空間中，轉(zhuǎn)變?yōu)檎婵詹ㄩL的電磁波，這正是切倫科夫輻射多年來難以降低速度（能量）閾值的原因所在。

籃球是劉仿熱愛的一項運動

面對這樣的難題，研究團隊研制了集成切倫科夫輻射芯片，觀測到了真空波長為500～900納米的切倫科夫輻射，所需電子能量僅為250～1400電子伏，比之前報道的同類實驗所需的幾十萬電子伏電子能量降低了2～3個數(shù)量級；并通過實驗獲得了200納瓦的輻射光輸出功率，與其他利用納米結(jié)構(gòu)獲得的切倫科夫輻射相比，輸出功率高了2個數(shù)量級以上。

集成切倫科夫輻射芯片由平面電子發(fā)射源、雙曲超材料和表面等離子激元周期狹縫3部分組成。首先，將電子發(fā)射源集成在雙曲超材料表面，電子束從陰極發(fā)射出來后沿著雙曲超材料上表面飛行。為了使電子在較低電壓下從鉬電極尖端飛出，研究團隊利用聚焦離子束刻蝕（FIB）工藝確保陰極尖端曲率半徑小于100納米，陰極和柵極間距為百納米量級。然后，將自由電子周圍的消逝場耦合到雙曲超材料中形成切倫科夫傳播場，并借助超材料下方周期狹縫的局域表面等離子激元模式將其耦合到自由空間中。

形成雙曲超材料的多層膜結(jié)構(gòu)中薄膜厚度越薄、表面越平整，越接近理想的雙曲超材料。為此，研究團隊利用磁控濺射方法交替濺射10納米厚金膜和10納米厚二氧化硅膜，使薄膜表面起伏為約1納米，得到總厚度為200多納米的金/二氧化硅多層膜。多層膜下方即是面積為250微米×20微米的金屬周期納米狹縫。與傳統(tǒng)金屬光柵相比，金屬周期納米狹縫寬度（60納米左右）僅為周期的約1/10，利用局域表面等離子激元的模式提取雙曲超材料中的電磁輻射。

研究團隊將自由電子發(fā)射源集成在了雙曲超材料的上表面，既能保證電子源發(fā)射出來的電子平行于雙曲超材料飛行，與超材料有足夠的作用長度（約200微米），又能精確控制電子束與超材料表面的距離（約40納米），確保電子周圍消逝場與雙曲超材料充分地相互作用。這種做法不僅驗證了雙曲超材料消除切倫科夫輻射的電子速度（能量）閾值，同時還將平面電子發(fā)射源、雙曲超材料、表面等離子激元耦合結(jié)構(gòu)集成在同一芯片上，實現(xiàn)了一種基于切倫科夫輻射的片上集成自由電子光源。

總之，劉仿小組的研究擺脫了產(chǎn)生切倫科夫輻射需要電子能量閾值的限制，極大地突破了電子周圍消逝場的衍射極限，在實現(xiàn)了世界上首個集成在芯片上的自由電子光源的同時，也讓切倫科夫80多年前的發(fā)現(xiàn)歷久彌新，煥發(fā)出新的光彩。“當電子速度不再是切倫科夫輻射的束縛時，也就意味著科學界將迎來新的可能，有一些我們已經(jīng)預料到了，但更多還未預料到的可能，正在前方等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。”劉仿興奮地告訴記者。

沉下心做一流工作

“在高校，我們經(jīng)常說要做‘頂天立地’的事情。所謂‘頂天’就是處于國際前沿，具有引領(lǐng)性；‘立地’就是所做的事情要有用，能服務(wù)大眾。在清華，我們先試著做做‘頂天’的工作?！眲⒎抡f道。

在劉仿心中，切倫科夫輻射芯片的研制是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。在清華大學讀博士起至剛工作的那段時間，曾發(fā)表過許多論文的劉仿對于自己當時的工作狀態(tài)很滿足。但看到大家的研究水平都飛速地上升時，他覺得不能再安于現(xiàn)狀了，應(yīng)該做一些不一樣的事情。瞄準國際科學前沿，結(jié)合之前的工作積累，劉仿向切倫科夫輻射的難點問題發(fā)起了挑戰(zhàn)。

2014年想法一萌生，劉仿就一頭扎進了工作中，與博士生肖龍等人一起展開了一場艱難的攻堅戰(zhàn)?！皠e人沒有做過的事情，即使一開始我們也不知道該怎么做，只要相信自己的分析判斷并堅持做下去，就一定能成功?！薄白銮叭藳]做的事情就像夜晚在盤山路上開車,前方?jīng)]有別的車可以跟隨，你會擔心隨時掉下去?！眲⒎滦蜗蟮刈隽吮扔鳌?/p>

雖然不知前路如何，但是他們的內(nèi)心卻非常堅定，前期的一系列分析結(jié)果和多年的工作經(jīng)驗給了他們足夠的信心。熬夜、加班、不斷的討論貫穿了攻關(guān)的整個過程，那段日子辛苦而充實。也正是在那時，劉仿深深體會了“搞科研要坐冷板凳,要耐得住寂寞”那句話的真正含義。之前每年發(fā)不少文章的劉仿，從向切倫科夫輻射的難點問題發(fā)起挑戰(zhàn)起，文章數(shù)目開始銳減，當看到別人仍在不斷地發(fā)新文章時，他的心里也有些發(fā)虛。“不發(fā)文章，項目交不了差，學生畢不了業(yè)，那個時候其實心里的壓力很大。但是要做一流的工作，就得沉下來，沉下來就是人們常說的耐得住寂寞吧！”劉仿說道。

不單是劉仿，他指導的博士生肖龍也承受了很大的壓力。一路跟隨劉仿做研究的肖龍，工作能力非常出色，是實驗室里最勤奮的學生之一。由于投稿到頂級雜志的文章被要求補實驗，又修改了1年，所以肖龍到畢業(yè)的時候文章都沒有發(fā)表出來?！肮ぷ骱芘?、很漂亮，但文章遲遲沒有發(fā)表，期間承受了非常大的壓力。在他畢業(yè)1年后文章發(fā)表出來，他才拿到了學位。這對于肖龍來說很不容易，但我相信現(xiàn)在回過頭來看，他應(yīng)該不會后悔，因為他做出了世界一流的工作?！弊鳛橐幻蠋煟斦勂鹱约旱膶W生時，劉仿眼中滿是欣慰與自豪。

團隊合影

劉仿非常享受跟學生在一起的時光，他說這可能也是學校和研究所最大的差別之一。研究所更側(cè)重于做研究、做項目，但學校與學生接觸、交流的時間更多一些?！鞍炎约褐赖臇|西傳遞給學生，跟他們一起探索未知的知識，能發(fā)自內(nèi)心的開心。跟學生在一起，我也會覺得跟他們一樣年輕?！?/p>

為了帶動學生積極去探索問題，劉仿經(jīng)常會介紹一些國際上熱點的或是值得去思考的問題給他們，有的問題甚至無人知道答案。他認為越是世界上沒人知道答案的問題，就越需要悶頭去想、去做。

對自己，他也有同樣的要求。他說，目前他只是打開了一扇門，做了世界上第一個自由電子輻射芯片，把傳統(tǒng)的真空電子學和新的微納光電子學結(jié)合在一起，算是進入了一個新的領(lǐng)域，但后續(xù)還有很多工作值得去探索、去挖掘。前期在可見光頻段實現(xiàn)了無閾值的切倫科夫輻射，但在紫外、紅外和太赫茲頻段還未見任何報道，未來他和學生們將力爭在相關(guān)理論和實驗上獲得突破。在器件上，未來他將致力于在紫外、中紅外、太赫茲等傳統(tǒng)光源難以實現(xiàn)的波段實現(xiàn)集成自由電子光源，并探索在片上產(chǎn)生受激切倫科夫輻射（激光）的可行性，力爭在自由電子光源研究領(lǐng)域做出更多的貢獻。

為了一個個謎題的解開，劉仿并未停下探索的腳步。