近日，清華大學電子工程系劉仿教授課題組報道了全片上集成的寬譜可調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，并實現了寬至3.2-14 THz的連續電調諧范圍。該工作將無閾值切倫科夫輻射頻率拓展至太赫茲頻段，實現了兼顧片上集成和寬譜可調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辟了途徑。
 

　　切倫科夫輻射是一種當帶電粒子運動速度大于介質中的光速時產生的電磁輻射。2017年，課題組在《自然·光子學》(Nature Photonics)首次報道了無閾值(極低電子能量激發的)切倫科夫輻射。此后，多項理論和實驗研究了紫外至可見光波段無閾值切倫科夫輻射現象和器件，但直接實驗觀察無閾值切倫科夫輻射仍限于可見光-近紅外波段。本研究工作首次將無閾值切倫科夫輻射拓展到太赫茲頻段，觀測到自由電子在寬頻譜范圍產生的太赫茲無閾值切倫科夫輻射現象。
 

　　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、探測和遙感等領域具有重要的應用前景。自由電子太赫茲輻射源利用真空中飛行的自由電子產生太赫茲輻射，傳統裝置和器件包括自由電子激光和各類電真空管。由于其電子發射、強聚焦磁場、電磁波輻射等結構較大，傳統自由電子太赫茲源尺寸從數十厘米至數十米量級。此外，由于真空器件結構通常難以調節，自由電子太赫茲源的調諧能力通常較弱。目前，仍未有兼顧小器件尺寸和寬譜連續調諧性的自由電子太赫茲輻射源報道。
 

　　圖1.基于太赫茲雙曲超材料的片上可調切倫科夫太赫茲源結構/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射結構和切倫科夫輻射提取光柵結構，實現了輻射區域面積僅為100μm×100μm的集成自由電子太赫茲輻射芯片。當自由電子能量僅1.4-2.6keV時，觀測到功率為100nW、線寬~40GHz的太赫茲輻射，成功將無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諧原理示意圖及實驗測試結果
 

　　課題組進一步研究了太赫茲切倫科夫芯片的頻率調諧特性。當自由電子束從雙曲超材料上方飛過時，電子周圍的消逝場耦合進材料內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。當輻射傳播至材料下表面，特定周期的金狹縫光柵結構可以提供波矢補償，從而將材料內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。因此，通過調整芯片陰陽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構，即可實現太赫茲輻射的連續調諧。
 

圖3.實驗測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，當電子能量低至1.4-2.6keV時，單個輻射單元可以實現約5THz的調諧范圍，而包含4個輻射單元的芯片實現了覆蓋3.2-14THz的寬譜太赫茲輻射的連續電調諧。與目前國際上最領先的基于自由電子激光的大型裝置相比，太赫茲輻射可調諧頻率范圍相當，但器件尺寸縮小至少3個數量級，且兼顧了片上集成和超寬譜連續可調兩種優勢。
 

　　該工作不僅將無閾值切倫科夫輻射的頻率拓展至太赫茲頻段，推動了雙曲超材料和切倫科夫輻射的研究，同時實現了全片上集成、寬譜連續可調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展提供了新路徑，也有望為未來的太赫茲源乃至整個太赫茲技術的發展提供支持。
 

　　研究成果以“片上切倫科夫輻射調諧在3.2-14太赫茲”(On-chip Cherenkov radiation tuning in 3.2-14 THz)為題，于8月25日發表于《自然·通訊》(Nature Communications)。
 

　　清華大學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。清華大學電子工程系2021級博士生陳宇迪，2022級博士生熊曉桐，副教授崔開宇、馮雪，教授張巍為論文共同作者。研究得到國家重點研發計劃的支持。