南京航空航天大学罗宇教授、胡昊教授团队Advanced Science:基于横电（TE）切伦科夫辐射的TeV级高能粒子探测

导读  

切伦科夫辐射是指带电粒子在均匀介质中以超过光在该介质中的相速度运动时，发射相干光子的电磁辐射现象。这一现象最早由P. A. Cherenkov通过实验观测发现，后经I. M. Frank和I. Tamm完成理论阐述，这三位物理学家正是1958年诺贝尔物理学奖得主。基于此效应的粒子识别技术促成了反质子、J/ϕ粒子和中微子振荡现象等里程碑式的科学发现，在粒子探测领域发挥着关键作用。然而，对于动量超过数十GeV/c的带电粒子，由于天然材料的折射率难以充分趋近于1，传统切伦科夫探测器的应用范围受到显著限制。

近年来，人们已提出超材料、光子晶体等多种人工结构以突破上述天然材料的局限性，提升切伦科夫探测器的灵敏度。然而，现有方案大多依赖复杂的多层结构，给实际应用带来了巨大挑战[Nat. Phys. 2018, 14, 816; Nat. Commun. 2021, 12, 5554]。尽管近期兴起的等离激元/声子晶体结构为调控切伦科夫辐射提供了实验可行的平台，且极大推动了片上自由电子光源的发展，但这些体系仍不适用于切伦科夫探测器。其根本原因在于，这类二维切伦科夫辐射本质上由横磁（TM）表面等离激元/声子极化激元介导，其模式折射率通常远大于1，这将严重制约粒子识别的灵敏度[Phys. Rev. X 2023, 13, 011002; Adv. Sci. 2022, 9, 2200538;Inf. Sci. 2025, 2, e12024]。迄今为止，如何有效利用二维切伦科夫辐射实现高能粒子探测，仍是亟待解决的关键科学问题。

在该工作中，研究人员展示了在悬浮石墨烯上方高速运动的带电粒子激发的横电（TE）石墨烯等离激元切伦科夫辐射（图1a）。由于TE石墨烯等离激元具有接近1的折射率，本方案展示的二维切伦科夫辐射能够以近光速的速度传播（图1c，1d），使得切伦科夫角对相对论粒子速度具有更高的灵敏度（图2、图3）。在此基础上，通过调控石墨烯的化学势，能够灵活且有效识别不同超高动量区间（甚至TeV/c能区）的带电粒子（图4）。

此外，TE石墨烯等离激元具有较深的穿透深度，所提出的切伦科夫辐射对粒子-石墨烯间距变化表现出极强的鲁棒性。具体而言，当粒子-石墨烯间距的增大时，TM模式的石墨烯等离子激元切伦科夫辐射的辐射强度呈指数衰减，而TE模式几乎不受影响（图5）。即使在微米级的分离距离下，TE模式的辐射强度也没有明显的衰减。这一特性显著缓解了等离子激元/声子结构中近场带电粒子辐射通常面临的约束，为未来设计更先进的自由电子辐射器件提供了新途径。

图1. TE石墨烯等离子激元切伦科夫辐射原理图。(a) 结构示意图。(b) 色散曲面。(c)TE与TM石墨烯等离激元切伦科夫辐射的截止频率。(d) TE与TM石墨烯等离激元切伦科夫辐射的速度阈值。

图2. TE石墨烯等离激元切伦科夫辐射的傅里叶谱。(a-c) 所研究的带电粒子速度分别为0.9999c、0.9994c和0.9989c，对应的辐射角分别为2.808°、2.144°和1.146°。

图3. 发射TE石墨烯等离激元的带电粒子能量损失。(a) 在弛豫时间𝜏 = 0.1 ps下，角功率谱密度随归一化粒子速度𝛽和切伦科夫角𝜃的变化关系。(b) 弛豫时间对角功率谱密度的影响。

图4. 基于TE石墨烯等离激元切伦科夫辐射的粒子探测性能。四种基本带电粒子（电子、π介子、K介子和质子）的切伦科夫角𝜃与粒子动量关系图。

图5. 带电粒子-石墨烯间距y₀对石墨烯等离激元切伦科夫辐射发射强度的影响。角功率谱密度随辐射角𝜃和粒子-石墨烯间距y₀的变化关系：(a) TM模式；(b) TE模式。(c) TE与TM模式下的辐射峰值强度随粒子-石墨烯间距y₀的变化关系。