让切伦科夫辐射焕发新光彩——记清华大学电子工程系长聘副教授刘仿

□ 刘婉茹

20世纪之前的很长时间，研究者们普遍认为在介质中运动的任何实物粒子的速度都不可能超过介质中的光速，并且匀速运动的带电粒子是不可能辐射电磁波的。但1934年，前苏联物理学家切伦科夫的发现却从根本上颠覆了之前的认识。实验发现，高速带电粒子在透明介质中穿行时会发出一种淡蓝色的微弱可见光。后续研究解释了这一现象：透明介质中穿行的高速带电粒子当其速度超过介质中的光速时会产生辐射，即后来被命名的切伦科夫辐射。1958年，切伦科夫和解释该现象的弗兰克和塔姆因，一起分享了当年的诺贝尔物理学奖。

切伦科夫辐射对反质子、J粒子、中微子振荡等基本粒子物理研究起到了关键作用，在国防军事、生物医疗、信息科学等领域有重要的应用价值。但产生切伦科夫辐射需要极高的电子能量，通常需要借助庞大的电子加速器产生光频段的辐射，且基于切伦科夫辐射的自由电子辐射源也具有较大的体积。因此，如何降低产生切伦科夫辐射的电子能量阈值以及如何实现小型化、集成化的自由电子光源便成为了长久未能突破的重大基础科学问题。

刘仿

面对挑战，清华大学电子工程系副教授刘仿迎难而上、大胆创新，在国际上首次研制出无阈值切伦科夫辐射芯片，在颠覆了传统自由电子光源需要大型电子加速器固有范式的同时，更使得在芯片上研究飞行电子与微纳结构的相互作用成为了一种可能。

集成自由电子辐射芯片中国造

时至今日，切伦科夫辐射依然在粒子物理领域发挥着重要作用。要想产生切伦科夫辐射，带电粒子的速度（能量）必须超过某一非常大的阈值，研究人员从发现该辐射开始就在思考如何降低或者消除产生辐射的电子速度（能量）阈值。由于一般媒质在光学波段的折射率较小，因此所需的电子速度（能量）极高。例如，要在水中产生切伦科夫辐射，电子速度须大于0.75C，电子能量需超过300千电子伏；即便在此前已知产生切伦科夫辐射所需电子能量最小的金属/介质光栅结构中，电子能量仍需高达20千电子伏。若要利用切伦科夫辐射原理产生自由电子激光，与其他类型的自由电子激光器一样，需要庞大的加速器将电子加速到极高能量。尽管理论分析表明，光子晶体和超材料中有实现无阈值的切伦科夫辐射的可能，但一直没有相关实验报道。

在原“973”计划项目课题和国家自然科学基金项目的支持下，清华大学电子工程系黄翊东教授团队的刘仿副教授、肖龙博士生等人在研究人工双曲超材料中的切伦科夫辐射时发现，在双曲超材料中，无论匀速运动的电子的速度多低都可以产生辐射，也就是说，电子速度不再是限制切伦科夫辐射产生的必要条件，在双曲超材料中可以实现无阈值的切伦科夫辐射。这意味着芯片上的自由电子光源成为了可能，未来新形式的自由电子光源和探测器有望出现。

在电子速度（能量）较低的情况下，电子周围的消逝电磁场具有极大的波矢，即极小的波长。若要在非常低的电子速度下产生切伦科夫辐射，需要将极小波长的电磁波消逝场辐射到自由空间中，转变为真空波长的电磁波，这正是切伦科夫辐射多年来难以降低速度（能量）阈值的原因所在。

篮球是刘仿热爱的一项运动

面对这样的难题，研究团队研制了集成切伦科夫辐射芯片，观测到了真空波长为500～900纳米的切伦科夫辐射，所需电子能量仅为250～1400电子伏，比之前报道的同类实验所需的几十万电子伏电子能量降低了2～3个数量级；并通过实验获得了200纳瓦的辐射光输出功率，与其他利用纳米结构获得的切伦科夫辐射相比，输出功率高了2个数量级以上。

集成切伦科夫辐射芯片由平面电子发射源、双曲超材料和表面等离子激元周期狭缝3部分组成。首先，将电子发射源集成在双曲超材料表面，电子束从阴极发射出来后沿着双曲超材料上表面飞行。为了使电子在较低电压下从钼电极尖端飞出，研究团队利用聚焦离子束刻蚀（FIB）工艺确保阴极尖端曲率半径小于100纳米，阴极和栅极间距为百纳米量级。然后，将自由电子周围的消逝场耦合到双曲超材料中形成切伦科夫传播场，并借助超材料下方周期狭缝的局域表面等离子激元模式将其耦合到自由空间中。

形成双曲超材料的多层膜结构中薄膜厚度越薄、表面越平整，越接近理想的双曲超材料。为此，研究团队利用磁控溅射方法交替溅射10纳米厚金膜和10纳米厚二氧化硅膜，使薄膜表面起伏为约1纳米，得到总厚度为200多纳米的金/二氧化硅多层膜。多层膜下方即是面积为250微米×20微米的金属周期纳米狭缝。与传统金属光栅相比，金属周期纳米狭缝宽度（60纳米左右）仅为周期的约1/10，利用局域表面等离子激元的模式提取双曲超材料中的电磁辐射。

研究团队将自由电子发射源集成在了双曲超材料的上表面，既能保证电子源发射出来的电子平行于双曲超材料飞行，与超材料有足够的作用长度（约200微米），又能精确控制电子束与超材料表面的距离（约40纳米），确保电子周围消逝场与双曲超材料充分地相互作用。这种做法不仅验证了双曲超材料消除切伦科夫辐射的电子速度（能量）阈值，同时还将平面电子发射源、双曲超材料、表面等离子激元耦合结构集成在同一芯片上，实现了一种基于切伦科夫辐射的片上集成自由电子光源。

总之，刘仿小组的研究摆脱了产生切伦科夫辐射需要电子能量阈值的限制，极大地突破了电子周围消逝场的衍射极限，在实现了世界上首个集成在芯片上的自由电子光源的同时，也让切伦科夫80多年前的发现历久弥新，焕发出新的光彩。“当电子速度不再是切伦科夫辐射的束缚时，也就意味着科学界将迎来新的可能，有一些我们已经预料到了，但更多还未预料到的可能，正在前方等待我们去发现。”刘仿兴奋地告诉记者。

沉下心做一流工作

“在高校，我们经常说要做‘顶天立地’的事情。所谓‘顶天’就是处于国际前沿，具有引领性；‘立地’就是所做的事情要有用，能服务大众。在清华，我们先试着做做‘顶天’的工作。”刘仿说道。

在刘仿心中，切伦科夫辐射芯片的研制是一项极具挑战性的工作。在清华大学读博士起至刚工作的那段时间，曾发表过许多论文的刘仿对于自己当时的工作状态很满足。但看到大家的研究水平都飞速地上升时，他觉得不能再安于现状了，应该做一些不一样的事情。瞄准国际科学前沿，结合之前的工作积累，刘仿向切伦科夫辐射的难点问题发起了挑战。

2014年想法一萌生，刘仿就一头扎进了工作中，与博士生肖龙等人一起展开了一场艰难的攻坚战。“别人没有做过的事情，即使一开始我们也不知道该怎么做，只要相信自己的分析判断并坚持做下去，就一定能成功。”“做前人没做的事情就像夜晚在盘山路上开车,前方没有别的车可以跟随，你会担心随时掉下去。”刘仿形象地做了比喻。

虽然不知前路如何，但是他们的内心却非常坚定，前期的一系列分析结果和多年的工作经验给了他们足够的信心。熬夜、加班、不断的讨论贯穿了攻关的整个过程，那段日子辛苦而充实。也正是在那时，刘仿深深体会了“搞科研要坐冷板凳,要耐得住寂寞”那句话的真正含义。之前每年发不少文章的刘仿，从向切伦科夫辐射的难点问题发起挑战起，文章数目开始锐减，当看到别人仍在不断地发新文章时，他的心里也有些发虚。“不发文章，项目交不了差，学生毕不了业，那个时候其实心里的压力很大。但是要做一流的工作，就得沉下来，沉下来就是人们常说的耐得住寂寞吧！”刘仿说道。

不单是刘仿，他指导的博士生肖龙也承受了很大的压力。一路跟随刘仿做研究的肖龙，工作能力非常出色，是实验室里最勤奋的学生之一。由于投稿到顶级杂志的文章被要求补实验，又修改了1年，所以肖龙到毕业的时候文章都没有发表出来。“工作很努力、很漂亮，但文章迟迟没有发表，期间承受了非常大的压力。在他毕业1年后文章发表出来，他才拿到了学位。这对于肖龙来说很不容易，但我相信现在回过头来看，他应该不会后悔，因为他做出了世界一流的工作。”作为一名老师，当谈起自己的学生时，刘仿眼中满是欣慰与自豪。

团队合影

刘仿非常享受跟学生在一起的时光，他说这可能也是学校和研究所最大的差别之一。研究所更侧重于做研究、做项目，但学校与学生接触、交流的时间更多一些。“把自己知道的东西传递给学生，跟他们一起探索未知的知识，能发自内心的开心。跟学生在一起，我也会觉得跟他们一样年轻。”

为了带动学生积极去探索问题，刘仿经常会介绍一些国际上热点的或是值得去思考的问题给他们，有的问题甚至无人知道答案。他认为越是世界上没人知道答案的问题，就越需要闷头去想、去做。

对自己，他也有同样的要求。他说，目前他只是打开了一扇门，做了世界上第一个自由电子辐射芯片，把传统的真空电子学和新的微纳光电子学结合在一起，算是进入了一个新的领域，但后续还有很多工作值得去探索、去挖掘。前期在可见光频段实现了无阈值的切伦科夫辐射，但在紫外、红外和太赫兹频段还未见任何报道，未来他和学生们将力争在相关理论和实验上获得突破。在器件上，未来他将致力于在紫外、中红外、太赫兹等传统光源难以实现的波段实现集成自由电子光源，并探索在片上产生受激切伦科夫辐射（激光）的可行性，力争在自由电子光源研究领域做出更多的贡献。

为了一个个谜题的解开，刘仿并未停下探索的脚步。