电子科技大学的段兆云教授与伦敦大学玛丽女王学院的陈晓东教授、麻省理工学院的陈敏教授通力合作,首次从实验上直接观察到了左手材料(一种超材料)中的反向切伦科夫辐射。至此,左手材料中的负折射率、反向多普勒效应和反向切伦科夫辐射这三个新奇电磁特性全部被实验所证实。

超材料(Metamaterial)是指一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工亚波长结构或复合材料。通过对材料的关键物理尺度上的结构设计,可以突破某些表观自然规律的限制,从而获得超常的材料特性。超材料作为材料科学的一个新兴研究领域,2010年被美国《科学》杂志评为过去十年科学界“十大卓见”(Insights of the Decade)之一,2016年超材料光学透镜(Metalens)被《科学》杂志评为当年度十大科学突破之一。

前苏联科学家V. G. Veselago在1967年预言了左手材料具有三个主要的新奇电磁特性:负折射率、反向多普勒效应和反向切伦科夫辐射。负折射率和反向多普勒效应分别于2001年和2003年被实验验证,而反向切伦科夫辐射(如图1所示)因迟迟没有找到合适的左手材料和能量耦合器,一直没有在实验上被直接验证。作为一种自然界传统材料中所不存在的特殊电磁辐射,反向切伦科夫辐射势必将会为真空电子学、加速器物理、光学、材料科学等领域带来全新的机遇。

图1. 左手材料中的反向切伦科夫辐射示意图

电子科技大学宫玉彬教授团队的段兆云教授自2007年起长期致力于左手材料中的反向切伦科夫辐射的理论及实验的研究工作,取得了一系列突破性进展,并在Nature NanotechnologyApplied Physics LettersOptics Express等国际知名期刊上发表论文。三高校的联合团队经过近十年的潜心钻研后,首次从实验上直接观察到了左手材料中的反向切伦科夫辐射,相关成果以Observation of the Reversed Cherenkov Radiation为题发表在Nature Communications [8, 14901 (2017)]上。

联合团队创造性地提出了一种适合真空环境的新型全金属超材料,通过有效媒质理论、色散特性和传输相位特性分别证明了其“左手”特性。研究者还设计了一种适合该左手材料的新型能量耦合器,其实验装置示意图如图2所示(为了突出左手材料,此处未标出带状电子注)。研究者采用真实的带电粒子(带状电子注)在实验上首次观测到了左手材料中的一种电磁辐射,证明了这种辐射首先是切伦科夫辐射;进一步证明了相对于传统的“前向”切伦科夫辐射(1958年诺贝尔物理奖的工作),这种切伦科夫辐射具有特定的“反向性”。此外,研究者还发现通过改变带电粒子的动能可以调谐该新型相干电磁辐射的频率。至此,左手材料中的三个新奇电磁特性终于全部被实验所证实。

图2. 反向切伦科夫辐射实验装置示意图

此外,段兆云教授领导的研究小组结合自身在真空电子学领域的优势,在此基础上首次提出了一种双频左手材料反向切伦科夫振荡器,该振荡器与传统返波管相比具有小型化、高功率和高效率等明显的优点,相关工作于2017年5月发表在电子器件领域顶级期刊IEEE Transactions on Electron Devices [64(5): 2376-2382, (2017)]上。另外,段兆云教授以第一发明人于2017年2月获得美国发明专利一项(Metamaterial High-power Microwave Source,US 9,583,301 B2)。

反向切伦科夫辐射的首次直接实验观测受到了相关领域研究工作者的高度关注,现已被《自然-光子学》(Nature Photonics)和《自然-通信》(Nature Communications)等国际著名期刊引用,Nature Index和国家自然科学基金委员会也对该工作进行报道。

作为一种新型的电磁辐射机理,反向切伦科夫辐射的首次实验观测为探索新的电磁辐射机理提供了新的方向,这对于发展新型的微波、毫米波和太赫兹波段的左手材料真空电子器件具有极为重要的现实意义,而这些新型的左手材料真空电子器件在未来的雷达、空间通信、导弹制导、电磁波加热、医用加速器等领域具有极其重要的应用前景!

文章链接:http://www.nature.com/articles/ncomms14901