PRL：氮化硼赋能新型穿越辐射

穿越辐射，指的是当自由电子在穿越两种电磁介质界面时所产生的辐射。作为一种重要的自由电子辐射现象，穿越辐射在粒子探测、光源、物质结构探测等领域具有重要的应用价值。然而，一直以来，穿越辐射的主要缺点是其强度比较弱。为了提高穿越辐射的强度，传统的方法是提高电子的运动速度—电子运动速度越大，穿越辐射越强（即高速偏好的穿越辐射）。不过，这种传统方法需要体积和能耗巨大的粒子加速器，不利于穿越辐射的小型化和大规模商业应用。

鉴于此，近日来自浙江大学的林晓、陈红胜教授团队以及以色列理工学院的Ido Kaminer教授，联合美国莱斯大学、新加坡南洋理工大学、香港大学的研究人员共同在物理学权威期刊Physical Review Letters上以Low-velocity-favored transition radiation为题发表重要论文，提出了一种基于超薄介电常数近零（Epsilon-Near-Zero，ENZ）材料的低速偏好穿越辐射机制。这种新型穿越辐射能够利用低速电子产生与高速电子同样强度的辐射，极大的提高了穿越辐射的光子提取效率。这一新机制不仅打破了过去长久以来穿越辐射的高速偏好传统思想窠臼，而且为基于穿越辐射的小型化芯片上微纳光源和粒子探测器奠定了基础。

图1.高速电子穿过BN薄板时激发出穿越辐射。

图源：Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

穿越辐射，是由前苏联物理学家Ginzburg和Frank于1946年首次提出和发现的。它指的是当匀速运动的自由带电粒子（如电子）在两种不同电磁介质的界面（或者非均匀电磁介质）处所产生的电磁辐射现象，因此被命名为穿越辐射或者渡越辐射。

作为一个已经有着近八十年历史的辐射机制，穿越辐射在物理学界有许多传统的印象和观念。其中之一就是，穿越辐射的强度会随着电子运动速度的增加而增大，并且在相对论速度范围内，辐射的强度与电子运动的洛伦兹因子成正比。这一规律指导了过去几十年以来的穿越辐射在粒子速度探测方面的应用。

不过，近年来，随着二维材料等各种新型电磁材料的涌现，穿越辐射这一古老的研究领域也迎来了新的可能性，对于穿越辐射的许多传统观念也需要重新审视。

氮化硼（BN）是一种典型的二维材料，具有诸多非常新颖的电磁性质。尤其是，氮化硼在红外波段拥有两个代表性的剩余射线辐射带（Reststrahlen Band），在这两个频段中氮化硼展现出了双曲色散的性质，并能够支持双曲声子极化激元的产生和传播。与此同时，在24.5THz频点处，氮化硼的介电常数之一展露出ENZ的性质。

图2. 低速偏好穿越辐射的能谱和光子提取效率。

图源：Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

在这篇论文中，研究人员理论计算了高速电子垂直穿过一个1nm厚度氮化硼薄板时候所激发出的穿越辐射。文章发现，在氮化硼具有ENZ性质的频段，穿越辐射会展现出一种奇异的低速偏好性质：即随着电子运动速度的减小，穿越辐射的强度会先减小而后增大，并出现了一个广阔的辐射强度对电子速度不敏感的平带（如图2所示）。这个平带意味着，我们可以利用超低速的电子产生于超高速电子相同强度的穿越辐射，因此光子的提取效率可以得到数个数量级的提升。例如，在图3中，速度为0.001倍光速的电子可以产生与速度为0.999倍光速电子同样强度的穿越辐射。

经过详细的解析计算，研究人员发现，只要满足ENZ薄板的厚度远小于波长，就会出现这一平带。因此，深亚波长厚度的ENZ薄板是实现低速偏好穿越辐射的关键。

进一步的，研究人员还分析了这种低速偏好穿越辐射的角谱。如图3所示，尽管低速电子可以产生与高速电子同样强度的穿越辐射，但是不同于高速电子穿越辐射拥有的极强方向性，低速电子的穿越辐射的方向更广，而且更多集中在平行于薄板的方向上。作为对比，在没有ENZ性质的频段，穿越辐射在低速下的辐射强度远远小于高速下的辐射强度。

图3.  低速偏好穿越辐射的角谱和电磁场图。

图源：Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

研究人员将这一新型低速偏好穿越辐射的物理机制归因于ENZ材料中的Ferrell-Berreman 电磁模式的干涉。因为这种低速偏好穿越辐射在单界面的空气/ENZ材料结构中并不会出现，而是在空气/ENZ材料/空气的双界面结构中出现。

此外，文章还指出，由于目前ENZ材料在微波到紫外频段都广泛存在，这一新型的低速偏好穿越辐射将在诸多频段发挥价值，从而推动新型光源和粒子探测器的产生。尤其是，有一些超越标准模型的新型未知粒子，其运动速度很低，难以用传统的粒子探测器探测；这种低速偏好穿越辐射将在未来暗物质的探测方面具有独特的优势。

综合起来，以二维材料为代表的新型电磁材料为传统电磁学提供了全新的平台和可能性。未来，随着二维材料研究的进一步深入，以及其相应加工制备工艺的成熟，电磁学将会有更多新物理、新机制、新现象涌现。

参考文献：Jialin Chen, Ruoxi Chen, Fuyang Tay, Zheng Gong, Hao Hu, Yi Yang, Xinyan Zhang, Chan Wang, Ido Kaminer, Hongsheng Chen, Baile Zhang, and Xiao Lin . Low-velocity-favored transition radiation, Physical Review Letters 131, 113002 (2023).

DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.113002