清华大学电子系刘仿课题组报道宽谱可调自由电子太赫兹辐射芯片
2025/09/05
215近日，清华大学电子工程系刘仿教授课题组报道了全片上集成的宽谱可调太赫兹切伦科夫辐射（Terahertz Cherenkov radiation）芯片，成功将太赫兹自由电子辐射器件的尺寸压缩至百微米量级，并实现了宽至3.2-14 THz的连续电调谐范围。该工作将无阈值切伦科夫辐射频率拓展至太赫兹频段，实现了兼顾片上集成和宽谱可调的自由电子太赫兹辐射源，为自由电子太赫兹辐射源的芯片化开辟了途径。
切伦科夫辐射是一种当带电粒子运动速度大于介质中的光速时产生的电磁辐射。2017年，课题组在《自然·光子学》（Nature Photonics）首次报道了无阈值（极低电子能量激发的）切伦科夫辐射。此后，多项理论和实验研究了紫外至可见光波段无阈值切伦科夫辐射现象和器件，但直接实验观察无阈值切伦科夫辐射仍限于可见光-近红外波段。本研究工作首次将无阈值切伦科夫辐射拓展到太赫兹频段，观测到自由电子在宽频谱范围产生的太赫兹无阈值切伦科夫辐射现象。
太赫兹波是指频率处于0.1-10THz频段（微波和红外光波之间）的电磁波，在通信、探测和遥感等领域具有重要的应用前景。自由电子太赫兹辐射源利用真空中飞行的自由电子产生太赫兹辐射，传统装置和器件包括自由电子激光和各类电真空管。由于其电子发射、强聚焦磁场、电磁波辐射等结构较大，传统自由电子太赫兹源尺寸从数十厘米至数十米量级。此外，由于真空器件结构通常难以调节，自由电子太赫兹源的调谐能力通常较弱。目前，仍未有兼顾小器件尺寸和宽谱连续调谐性的自由电子太赫兹辐射源报道。
图1.基于太赫兹双曲超材料的片上可调切伦科夫太赫兹源结构/原理示意图和辐射芯片显微镜照片
课题组利用石墨烯和六方氮化硼（hBN）材料构建并制备了太赫兹频段的双曲超材料（其等频率波矢图为双曲线），进一步在SiO2衬底上分别使用Mo和Au两种材料制备平面自由电子发射结构和切伦科夫辐射提取光栅结构，实现了辐射区域面积仅为100μm×100μm的集成自由电子太赫兹辐射芯片。当自由电子能量仅1.4-2.6keV时，观测到功率为100nW、线宽~40GHz的太赫兹辐射，成功将无阈值切伦科夫辐射频率拓展至太赫兹频段。
图2.太赫兹切伦科夫芯片频率调谐原理示意图及实验测试结果
课题组进一步研究了太赫兹切伦科夫芯片的频率调谐特性。当自由电子束从双曲超材料上方飞过时，电子周围的消逝场耦合进材料内部成为可传播的太赫兹切伦科夫辐射，其波矢方向和大小与电子速度相关。当辐射传播至材料下表面，特定周期的金狭缝光栅结构可以提供波矢补偿，从而将材料内部的辐射提取至自由空间中，提取后的太赫兹辐射频率与电子速度和光栅周期相关。因此，通过调整芯片阴阳极施加电压的大小控制电子速度，并制备具有不同光栅周期的阵列化结构，即可实现太赫兹辐射的连续调谐。
图3.实验测试不同光栅周期和电子能量条件下的辐射频率分布
基于上述原理，当电子能量低至1.4-2.6keV时，单个辐射单元可以实现约5THz的调谐范围，而包含4个辐射单元的芯片实现了覆盖3.2-14THz的宽谱太赫兹辐射的连续电调谐。与目前国际上最领先的基于自由电子激光的大型装置相比，太赫兹辐射可调谐频率范围相当，但器件尺寸缩小至少3个数量级，且兼顾了片上集成和超宽谱连续可调两种优势。
该工作不仅将无阈值切伦科夫辐射的频率拓展至太赫兹频段，推动了双曲超材料和切伦科夫辐射的研究，同时实现了全片上集成、宽谱连续可调的自由电子太赫兹辐射芯片，为自由电子太赫兹辐射源的发展提供了新路径，也有望为未来的太赫兹源乃至整个太赫兹技术的发展提供支持。
研究成果以“片上切伦科夫辐射调谐在3.2-14太赫兹”（On-chip Cherenkov radiation tuning in 3.2-14 THz）为题，于8月25日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学电子工程系博士后李天畅和电子工程系教授刘仿为论文共同第一作者；刘仿、电子工程系教授黄翊东为论文共同通讯作者。清华大学电子工程系2021级博士生陈宇迪，2022级博士生熊晓桐，副教授崔开宇、冯雪，教授张巍为论文共同作者。研究得到国家重点研发计划的支持。
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