为了构建基于极化激元的光电集成回路，迫切需要研发可在片上集成的纳米光源作为信息输入端口。“反向切伦科夫辐射”具有带电粒子运动方向与产生电磁辐射方向相反的特点，可以有效屏蔽运动粒子对辐射电磁波的干扰，从而显著提升纳米光源的品质。
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5月3日，国家纳米科学中心戴庆研究团队在《自然-通讯》（Nature Communications）上发表论文，报道了天然氧化钼I型双曲频带上观测到的声子极化激元反向切伦科夫辐射现象。
论文共同通讯作者杨晓霞介绍，前期已有报道在超构材料中获得微波频段的反向切伦科夫辐射，但随着频率提升该结构电磁损耗呈指数上升，如何获得红外频段的反向切伦科夫辐射仍然是一项艰巨挑战。
为获得红外频段的反向切伦科夫辐射，研究团队将目光从超构材料转移到天然晶体上。他们认为，与上述超构材料中通过空间结构设计获得负折射率的思路不同，天然晶体中具有负群速度色散的极化激元模式也有望实现反向切伦科夫辐射。这种利用天然晶体获得红外频段的反向切伦科夫辐射的方式可以避免由于微纳结构制造技术引起的电磁损耗。
戴庆介绍，近年来，他带领研究团队利用特色电子激发极化激元理论模型和实验表征方法，在双折射晶体（如六方氮化硼和氧化钼等范德华材料）中发现了具有双曲色散的声子极化激元。“这种双曲声子极化激元一方面在中红外频段具有负群速度，为实现反向切伦科夫辐射提供了必要条件，另一方面具有显著的慢光效应，有利于降低激发辐射所需的带电粒子速度阈值。”他说。
在最新发表的工作中，研究团队通过进一步研究，在天然氧化钼I型双曲频带上观测到声子极化激元反向切伦科夫辐射现象，即由金属天线的等离激元（类比运动的带电粒子）来激发声子极化激元反向切伦科夫辐射。
研究发现，通过改变带电粒子的运动方向，可以不对称地重塑反向切伦科夫辐射的分布。此外，通过原子制造技术构筑氧化钼和六方氮化硼范德华异质结，能够进一步调控辐射角度和品质因子，从而提升纳米光源的品质。
研究人员期待，这项研究成果有望为解决光频段反向切伦科夫辐射高效激发的难题提供新思路，并为实现光电集成回路中片上光源提供重要材料平台。
国家纳米科学中心戴庆研究员和杨晓霞研究员为该文章的共同通讯作者，国家纳米科学中心特别研究助理郭相东和2018级博士生吴晨晨为共同一作。
极化激元反向切伦科夫辐射的示意图（研究团队供图）
论文相关信息：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37923-w
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