近日，南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院蔡衛(wèi)教授、許京軍教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組首次在實驗上證實了二維尺度下的史密斯-珀塞爾輻射，即極化激元的產(chǎn)生，并且進一步展示了自由電子對二維史密斯-珀塞爾輻射調(diào)控能力。該研究成果以“二維史密斯珀塞爾輻射(Smith-Purcell Radiation in Two Dimensions)”為題在線發(fā)表于國際知名期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

電子-光子相互作用是物理學(xué)研究核心主題之一。當(dāng)自由電子轟擊光學(xué)結(jié)構(gòu)或通過其附近時，其可以產(chǎn)生電磁輻射，該現(xiàn)象通常被稱為自由電子輻射（或陰極發(fā)光）。自由電子相干輻射最著名的是切倫科夫輻射(Cherenkov radiation),該效應(yīng)在高能粒子探測等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，曾于1958年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。作為切倫科夫輻射的拓展，當(dāng)帶電粒子在周期性結(jié)構(gòu)表面飛過時，能產(chǎn)生史密斯-珀塞爾輻射(Smith-Purcell radiation)，其為利用電子產(chǎn)生和操控光提供了新的方案。

過去近70年，利用史密斯-珀塞爾輻射在三維空間產(chǎn)生光引起了廣泛關(guān)注。近年來隨著納米光子學(xué)和二維材料的興起，自由電子作為高效的光激發(fā)源又為該領(lǐng)域注入新的活力，受到物理學(xué)家、材料科學(xué)家以及工程師等多領(lǐng)域的關(guān)注。而二維史密斯-珀塞爾輻射作為片上光源產(chǎn)生的重要物理機制之一，其產(chǎn)生及調(diào)控成為一個亟待解決的關(guān)鍵問題。

圖為自由電子激發(fā)周期納米孔陣列產(chǎn)生二維史密斯-珀塞爾輻射示意圖

研究團隊通過自由電子與設(shè)計的金屬納米孔陣列之間的相互作用觀測到二維史密斯-珀塞爾輻射，并進一步通過引入二維相控陣雷達效應(yīng)，證明了二維史密斯-珀塞爾輻射方向的主動調(diào)控性。這一創(chuàng)新成果不僅加深了對自由電子和光相互作用的理解，也在構(gòu)建利用電子產(chǎn)生和操控二維光學(xué)平臺等方面具有重要意義。

本工作南開大學(xué)為第一完成單位，南開大學(xué)博士生孫治國為第一作者，南開大學(xué)蔡衛(wèi)教授及許京軍教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到了國家科技部重點研發(fā)計劃項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目以及國家自然科學(xué)基金委等項目的資助。

論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.043802