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自由电子辐射研究进军新领域

田家豪 刘仿 黄翊东

文/胡月

电子是一种带电基本粒子,通常会被束缚在物质原子的内部,而不受原子核束缚飞行的电子称为自由电子。

作为一种肉眼看不见的实物粒子,电子却可以发出肉眼可见的光。那么电子为什么可以发光呢?

事实上电子发出光子的现象在生活中方方面面都有体现,比如激光器、照明灯等等。然而这些光子都是由束缚在原子核周围的电子产生的,那么有些不受原子核束缚的自由电子是否可以发光呢?这样岂不是可以通过观测光子来间接观测飞行中的自由电子?

1934年,苏联物理学家切伦科夫发现当材料中带电粒子的速度超过介质中光速时,会产生一种类似“音爆”的锥面辐射,这种辐射被称为切伦科夫辐射。

这一发现改变了人们对光和物质速度关系以及匀速运动电子能否产生辐射的认识,切伦科夫与解释该现象的另外两位科学家伊利亚·弗兰克和伊戈尔·塔姆因此分享了1958年诺贝尔物理学奖。

1953年,史密斯、珀塞尔发现匀速运动的自由电子飞掠金属周期结构可产生可见光辐射,该辐射被命名为史密斯-珀塞尔辐射,其本质上是切伦科夫辐射的一种特殊形式。

图1 自由电子产生切伦科夫辐射和史密斯-珀塞尔辐射

切伦科夫辐射作为盖革探测器的基本原理,广泛应用于对带电粒子的检测。例如,应用在超级神冈探测器中开展了著名的中微子振荡实验,通过观测核反应堆冷却水中切伦科夫辐射 “蓝光”,可以判断核反应是否开启等等。因此我们的问题迎刃而解,不受束缚的自由电子是可以自己产生肉眼可见的光子的,并且这样的现象已经被应用在包括自由电子的众多带电粒子的检测,极大地推进了对基本物理的研究。

随着纳米科学的兴起,研究人员开始探索自由电子和微纳结构相互作用产生的诸多新现象和新效应。这些微纳结构仿佛“能量转化通道”,可以将自由电子的动能转化为光子的能量。通过设计这些微纳结构的“转化通道”,研究人员可以调控产生辐射所需要的电子速度、辐射方向、辐射频率等。利用特殊的“能量转化通道”甚至可以实现一反常态的物理现象。

 

图2 自由电子可以与光子晶体、超材料、超表面和微环腔相互作用,产生切伦科夫辐射和史密斯珀塞尔辐射等等。[1][2][4]引用自《自然》杂志,[3]引用自《科学》杂志。

天然材料中产生切伦科夫辐射需要极高的电子能量,我国清华大学科研团队利用人工材料打破了电子速度的限制,提出并实验证明非常低速的电子也可以产生可见光切伦科夫辐射,而后加拿大阿尔伯塔大学也利用此原理产生了紫外线辐射。成都电子科技大学研究团队基于人工超材料观测到反向切伦科夫辐射,不同于常规切伦科夫辐射,反向切伦科夫辐射传播方向与电子飞行方向相反。美国麻省理工学院研究人员报道了连续区束缚态增强自由电子辐射的研究工作,利用微纳结构来大幅提升辐射的强度。此外,美国东北大学研究人员探索了金属表面等离激元谐振结构还可以改变辐射的偏振态,让自由电子产生电磁波的电场方向发生改变。

自由电子辐射除上面提到的由匀速运动电子产生的切伦科夫辐射、史密斯-珀塞尔辐射之外,还包括速度变化的带电粒子产生的同步辐射、波荡辐射、韧致辐射等,利用微纳结构同样可以让自由电子产生特殊角度、辐射频率的电磁波,并且进一步缩小器件结构尺寸,提升器件性能。另外,微纳结构和自由电子的相互作用中的量子规律也逐渐被超快电子显微技术揭开,近两年来以色列理工学院和德国哥廷根大学等利用电子显微镜解释了自由电子辐射的量子性质,研究成果发表在《Nature》《Science》等顶级期刊上,将自由电子辐射的研究推向了量子世界,为自由电子辐射领域的研究打开了新的维度。

在介观尺度下研究自由电子的辐射问题,包括器件的小型化和集成化以及引入微纳结构带来的新辐射特性,已经成为研究热点。期待新型自由电子辐射器件的出现和应用,比如小型化的自由电子辐射源产生X射线进行医学检查,大大缩小CT等射线仪器的体积,在材料学领域检测材料成分;自由电子太赫兹源应用在地铁、火车和航空运输等场合,通过检测特殊物质的特征实现安检和防爆;同时自由电子辐射也可以应用于下一代通讯的核心器件——小型化自由电子太赫兹信号发射器;集成化自由电子探测器分析带电粒子产生的辐射强度,进而推断环境中电离辐射剂量。随着自由电子辐射器件的发展,未来相关器件有望助力各行各业的发展,并进入人们日常生活。

*课题受到国家重点研发计划(批准号:2018YFB2200402)资助.

田家豪 清华大学电子工程系博士生;刘仿 清华大学电子工程系教授 博士生导师 青年长江学者;黄翊东 清华大学电子工程系教授 博士生导师 长江学者

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