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南开团队发现光子时间晶体中的新辐射效应
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2023-03-06 16:57

  南开新闻网讯(通讯员 戴建芳)自由电子与光的相互作用是一个具有悠久历史的研究领域,也是当下纳米光子学的前沿研究领域之一。对带电粒子辐射过程的理解,极大地促进了现代物理学的发展。其中最著名的一个例子是切伦科夫辐射(Cherenkov radiation),即介质中匀速运动带电粒子的运动速度超过该介质中光的相速度时(即在超光速下)所产生的电磁辐射,其发现颠覆了20世纪之前人们关于匀速运动带电粒子不能产生辐射的基本认识。该现象已被广泛应用于跟踪和探测粒子,并为实现自由电子激光光源提供有效途径,在生物医疗、国防军事等领域都极具应用价值。因发现和成功解释了切伦科夫辐射效应,前苏联物理学家切伦科夫、弗兰克和塔姆分享了1958年度的诺贝尔物理学奖。在传统材料中,由于相位匹配条件的限制,电子运动速度必须大于光的相速度才能产生切伦科夫辐射。而在具有周期性空间结构的光子晶体中,布洛赫模式(Bloch modes)的波矢可以被调节,使得自由电子可以在任意小的非零运动速度下也满足相位匹配条件,从而降低其产生切伦科夫辐射的能量阈值。

  与空间晶体相对应的是时间晶体,这一概念最早在凝聚态物理中提出,被构想为一种自发打破连续时间平移对称性的稳定物态;而光子时间晶体(Photonic Time Crystals,简称为PTCs)因均匀介质折射率的周期时间调制而产生:波在PTCs中传播经历时间反射、折射而动量守恒,所产生的反射波与折射波相互干涉从而在动量空间中形成能带结构并产生动量带隙。最新研究表明,在PTCs中匀速运动的自由电子不仅在(非零)亚光速下产生电磁辐射,而且可以在超光速下与动量带隙弗洛凯模式(Floquet modes)耦合产生指数放大的相干辐射[PNAS 119, e2119705119 (2022)]。基于此效应,它与关于PTCs中振荡偶极子的辐射研究[Science 377, 425(2022)]一起提出了非谐振可调谐PTC激光器的新颖概念。

  静止的带电粒子可以产生电磁辐射吗?近日,南开大学物理科学学院李华楠教授、许京军教授团队与纽约城市大学先进科学研究中心Andrea Alù教授团队和以色列理工学院Boris Shapiro教授合作,发现嵌入各向异性光子时间晶体(Anisotropic Photonic Time Crystals,简称为APTCs)中的静止电荷可以从时间调制中提取能量以产生相干辐射,并与动量带隙中的弗洛凯模式相耦合以将其指数放大。他们首先将光子时间晶体的概念推广到各向异性的均匀介质,设计出由周期时间调制电容率张量所描述的APTCs。并发展出一种广义时域传输矩阵理论来研究静止电荷在APTCs中的辐射问题,发现APTCs不仅可以使静止电荷产生辐射,而且可以通过动量空间中各向异性的能带结构调控其辐射特性。与非谐振可调谐PTC激光器相比,APTCs中的定向激光现象由其本征的各向异性能带结构所决定,不涉及如控制自由电子运动以实现定向辐射所需的精细相位匹配等辐射源操纵,极大地拓展了非谐振可调谐激光器的概念范畴,为自由电子辐射的产生与控制提供了新的思路与途径。

图一:(a) APTC结构示意图;(b) APTC能带结构;(c)动量空间中静止电荷辐射能量分布的含时演化。

  该研究成果以“Stationary Charge Radiation in Anisotropic Photonic Time Crystals”为题发表在《Physical Review Letters》上,南开大学为第一完成单位,南开大学李华楠教授为第一作者,南开大学许京军教授、纽约城市大学先进科学研究中心Andrea Alù教授和以色列理工学院Boris Shapiro教授为共同通讯作者。Andrea Alù教授团队博士生尹诗雄和李华楠教授课题组博士生何欢也参与了这项研究工作。相关工作受到了国家自然科学基金项目、南开大学科研启动基金项目、西蒙斯基金会项目等资助。

  论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.093803

编辑:乔仁铭

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