【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學(xué)電子工程系劉仿教授課題組報(bào)道了全片上集成的寬譜可調(diào)太赫茲切倫科夫輻射(Terahertz Cherenkov radiation)芯片，成功將太赫茲自由電子輻射器件的尺寸壓縮至百微米量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了寬至3.2-14 THz的連續(xù)電調(diào)諧范圍。該工作將無(wú)閾值切倫科夫輻射頻率拓展至太赫茲頻段，實(shí)現(xiàn)了兼顧片上集成和寬譜可調(diào)的自由電子太赫茲輻射源，為自由電子太赫茲輻射源的芯片化開(kāi)辟了途徑。
切倫科夫輻射是一種當(dāng)帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度大于介質(zhì)中的光速時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射。2017年，課題組在《自然·光子學(xué)》(Nature Photonics)首次報(bào)道了無(wú)閾值(極低電子能量激發(fā)的)切倫科夫輻射。此后，多項(xiàng)理論和實(shí)驗(yàn)研究了紫外至可見(jiàn)光波段無(wú)閾值切倫科夫輻射現(xiàn)象和器件，但直接實(shí)驗(yàn)觀察無(wú)閾值切倫科夫輻射仍限于可見(jiàn)光-近紅外波段。本研究工作首次將無(wú)閾值切倫科夫輻射拓展到太赫茲頻段，觀測(cè)到自由電子在寬頻譜范圍產(chǎn)生的太赫茲無(wú)閾值切倫科夫輻射現(xiàn)象。
太赫茲波是指頻率處于0.1-10THz頻段(微波和紅外光波之間)的電磁波，在通信、探測(cè)和遙感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。自由電子太赫茲輻射源利用真空中飛行的自由電子產(chǎn)生太赫茲輻射，傳統(tǒng)裝置和器件包括自由電子激光和各類電真空管。由于其電子發(fā)射、強(qiáng)聚焦磁場(chǎng)、電磁波輻射等結(jié)構(gòu)較大，傳統(tǒng)自由電子太赫茲源尺寸從數(shù)十厘米至數(shù)十米量級(jí)。此外，由于真空器件結(jié)構(gòu)通常難以調(diào)節(jié)，自由電子太赫茲源的調(diào)諧能力通常較弱。目前，仍未有兼顧小器件尺寸和寬譜連續(xù)調(diào)諧性的自由電子太赫茲輻射源報(bào)道。
圖1.基于太赫茲雙曲超材料的片上可調(diào)切倫科夫太赫茲源結(jié)構(gòu)/原理示意圖和輻射芯片顯微鏡照片
課題組利用石墨烯和六方氮化硼(hBN)材料構(gòu)建并制備了太赫茲頻段的雙曲超材料(其等頻率波矢圖為雙曲線)，進(jìn)一步在SiO2襯底上分別使用Mo和Au兩種材料制備平面自由電子發(fā)射結(jié)構(gòu)和切倫科夫輻射提取光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了輻射區(qū)域面積僅為100μm×100μm的集成自由電子太赫茲輻射芯片。當(dāng)自由電子能量?jī)H1.4-2.6keV時(shí)，觀測(cè)到功率為100nW、線寬~40GHz的太赫茲輻射，成功將無(wú)閾值切倫科夫輻射頻率拓展至太赫茲頻段。
圖2.太赫茲切倫科夫芯片頻率調(diào)諧原理示意圖及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果
課題組進(jìn)一步研究了太赫茲切倫科夫芯片的頻率調(diào)諧特性。當(dāng)自由電子束從雙曲超材料上方飛過(guò)時(shí)，電子周圍的消逝場(chǎng)耦合進(jìn)材料內(nèi)部成為可傳播的太赫茲切倫科夫輻射，其波矢方向和大小與電子速度相關(guān)。當(dāng)輻射傳播至材料下表面，特定周期的金狹縫光柵結(jié)構(gòu)可以提供波矢補(bǔ)償，從而將材料內(nèi)部的輻射提取至自由空間中，提取后的太赫茲輻射頻率與電子速度和光柵周期相關(guān)。因此，通過(guò)調(diào)整芯片陰陽(yáng)極施加電壓的大小控制電子速度，并制備具有不同光柵周期的陣列化結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射的連續(xù)調(diào)諧。
圖3.實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同光柵周期和電子能量條件下的輻射頻率分布
基于上述原理，當(dāng)電子能量低至1.4-2.6keV時(shí)，單個(gè)輻射單元可以實(shí)現(xiàn)約5THz的調(diào)諧范圍，而包含4個(gè)輻射單元的芯片實(shí)現(xiàn)了覆蓋3.2-14THz的寬譜太赫茲輻射的連續(xù)電調(diào)諧。與目前國(guó)際上最領(lǐng)先的基于自由電子激光的大型裝置相比，太赫茲輻射可調(diào)諧頻率范圍相當(dāng)，但器件尺寸縮小至少3個(gè)數(shù)量級(jí)，且兼顧了片上集成和超寬譜連續(xù)可調(diào)兩種優(yōu)勢(shì)。
該工作不僅將無(wú)閾值切倫科夫輻射的頻率拓展至太赫茲頻段，推動(dòng)了雙曲超材料和切倫科夫輻射的研究，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了全片上集成、寬譜連續(xù)可調(diào)的自由電子太赫茲輻射芯片，為自由電子太赫茲輻射源的發(fā)展提供了新路徑，也有望為未來(lái)的太赫茲源乃至整個(gè)太赫茲技術(shù)的發(fā)展提供支持。
研究成果以“片上切倫科夫輻射調(diào)諧在3.2-14太赫茲”(On-chip Cherenkov radiation tuning in 3.2-14 THz)為題，于8月25日發(fā)表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
清華大學(xué)電子工程系博士后李天暢和電子工程系教授劉仿為論文共同第一作者；劉仿、電子工程系教授黃翊東為論文共同通訊作者。清華大學(xué)電子工程系2021級(jí)博士生陳宇迪，2022級(jí)博士生熊曉桐，副教授崔開(kāi)宇、馮雪，教授張巍為論文共同作者。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
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