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科研进展

威尼斯网址史志文课题组在低维材料中观测到可调控的切伦科夫辐射现象

近日,纳米科学权威杂志《Nano Letters》刊发了上海交大威尼斯网址史志文课题组的题为“Tunable Cherenkov Radiation of Phonon Polaritons in Silver Nanowire/Hexagonal Boron Nitride Heterostructures”的文章,报道了其在低维材料异质结构中观测到可调控的声子极化激元切伦科夫辐射现象。

图一:(A)切伦科夫辐射原理示意图;(B)扫描近场光学显微镜探测声子极化激元切伦科夫辐射示意图;(C)实验观测到的切伦科夫辐射声子极化激元近场光学图像。标尺长度为2 μm。

经典的切伦科夫辐射现象是指在介质中运动的带电粒子速度超过介质中光速时辐射出光子的现象。由于带电粒子运动速度快,所辐射出的光波被甩在了高速粒子身后,呈现出尖锥状波阵面。该现象最早由前苏联科学家P. Cherenkov于1934年通过实验发现,后来由其同事I. Tamm和I. Frank从理论上给出了解释,三人因此共同获得了1958年的诺贝尔物理学奖。日常生活中也有可以类比的现象,比如超音速飞机在空气中产生的锥状激波。切伦科夫辐射现象在粒子物理研究领域有广泛应用,基于该现象研制出的切伦科夫探测器在探测反质子、中微子等基本粒子的相关研究中发挥了重要作用。直到今天,人们仍然对切伦科夫辐射现象的研究感兴趣,特别是关注将带电粒子的运动介质更换为人工超材料或光子晶体后出现的一系列有趣的物理现象,如辐射角可控、辐射截止速度消失等。然而,研究人员至今尚未在天然低维材料中发现切伦科夫辐射现象。

图二:切伦科夫辐射对激发光偏振方向的依赖。(A、B、C)激发光偏振平行于纳米线,激发出沿纳米线传播的表面等离激元波,该等离激元波传播速度远大于六方氮化硼(hBN)衬底中声子极化激元波的传播速度,因此辐射出切伦科夫声子极化激元。(D、E、F)当激发光偏振垂直于纳米线时,无法激发纵向传播的等离激元,因此也无法激发切伦科夫辐射。

图三:(A-D)不同样品厚度下的切伦科夫辐射以及辐射角度统计。(E-H)切伦科夫辐射速率与激发光波长之间具有强烈的依赖关系。

威尼斯网址史志文课题组在国际上首次利用红外扫描近场光学显微镜在六方氮化硼(hBN)与银纳米线的简单异质结构中观测到了可调控的切伦科夫辐射并实现了深度亚波长尺度下对极化激元发射和传播的精确控制。在该实验中,该课题组研究人员用两种传播速度不同的极化激元波之间的耦合来模拟高速运动的带电粒子与介质中光子之间的相互作用。首先,激发光在银纳米线端点处激发出传播速度较快的等离激元;接下来,沿纳米线快速传播的一维等离激元波在六方氮化硼中激发出二维声子极化激元波。由于银纳米线上等离激元的传播速度远大于六方氮化硼声子极化激元的传播速度,所以辐射出来的声子极化激元的波阵面呈切伦科夫辐射V字型尖锥状。

该课题组研究人员还发现,当改变激发光的偏振方向时,银纳米线中的等离子体激元模式会出现传播模式和局域模式的转变。只有当激发光偏振与纳米线平行时,才能最有效地激发传播模式等离激元并辐射出声子极化激元。因此,通过改变偏振方向可以实现对切伦科夫辐射的开关控制。此外,该课题组研究人员发现该低维材料系统中的切伦科夫辐射角度可以通过改变激发光波长或六方氮化硼材料的厚度来调控,所观测到的切伦科夫辐射角可以用切伦科夫物理定量地描述。进一步,实验观测到的切伦科夫辐射速率也是可调控的,当两种极化激元波的动量匹配时,辐射速率最大。

该研究在低维材料异质结构中实现了辐射角与辐射速率高度可控的切伦科夫辐射,为激发与控制低维材料中的极化激元提供了新思路,为构建基于切伦科夫辐射的新型纳米光子器件提供了新途径,同时也为理解与认识不同维度极化激元波之间的耦合提供了新的角度。

威尼斯网址14级本科生张怡然和博士研究生胡成为该论文共同第一作者,史志文特别研究员为通讯作者。合作人员包括上海交大张月蘅教授、日本国立材料研究所的Takashi Taniguchi教授和Kenji Watanabe教授、韩国国立公州大学的Ji-Hun Kang教授、以及美国加州大学伯克利分校Feng Wang教授。

该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金的资助,在此深表感谢!

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00419

 

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