【產(chǎn)通社，9月1日訊】清華大學新聞中心（Tsinghua University News Center）官網(wǎng)消息，其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(diào)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(xiàn)了寬至3.2-14THz的連續(xù)電調(diào)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(xiàn)了兼顧片上集成和寬譜可調(diào)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(zhì)中的光速時產(chǎn)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(fā)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(xiàn)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(chǎn)生的太赫茲無閾值切倫科夫輻射現(xiàn)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(lǐng)域具有重要的應(yīng)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(chǎn)生太赫茲輻射，傳統(tǒng)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(fā)射、強聚焦磁場、電磁波輻射等結(jié)構(gòu)較大，傳統(tǒng)自由電子太赫茲源尺寸從數(shù)十厘米至數(shù)十米量級。此外，由于真空器件結(jié)構(gòu)通常難以調(diào)節(jié)，自由電子太赫茲源的調(diào)諧能力通常較弱。目前，仍未有兼顧小器件尺寸和寬譜連續(xù)調(diào)諧性的自由電子太赫茲輻射源報道。

課題組利用石墨烯和六方氮化硼（hBN）材料構(gòu)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(fā)射結(jié)構(gòu)和切倫科夫輻射提取光柵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了輻射區(qū)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。

課題組進一步研究了太赫茲切倫科夫芯片的頻率調(diào)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(nèi)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(guān)。當輻射傳播至材料下表面，特定周期的金狹縫光柵結(jié)構(gòu)可以提供波矢補償，從而將材料內(nèi)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(guān)。因此，通過調(diào)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(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)太赫茲輻射的連續(xù)調(diào)諧。

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(xiàn)約5THz的調(diào)諧范圍，而包含4個輻射單元的芯片實現(xiàn)了覆蓋3.2-14THz的寬譜太赫茲輻射的連續(xù)電調(diào)諧。與目前國際上最領(lǐng)先的基于自由電子激光的大型裝置相比，太赫茲輻射可調(diào)諧頻率范圍相當，但器件尺寸縮小至少3個數(shù)量級，且兼顧了片上集成和超寬譜連續(xù)可調(diào)兩種優(yōu)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(xiàn)了全片上集成、寬譜連續(xù)可調(diào)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(fā)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(shù)的發(fā)展提供支持。

研究成果以“片上切倫科夫輻射調(diào)諧在3.2-14THz”（On-chip Cherenkov radiation tuning in 3.2-14THz）為題，于8月25日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/120845.htm，以及https://doi.org/10.1038/s41467-025-63368-4。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）