南开大学在自由电子-光子相互作用领域取得进展

近日，南开大学物理科学学院蔡卫教授、许京军教授领导的课题组首次在实验上证实了二维尺度下的史密斯-珀塞尔辐射，即极化激元的产生，并且进一步展示了自由电子对二维史密斯-珀塞尔辐射调控能力。该研究成果以“二维史密斯珀塞尔辐射(Smith-Purcell Radiation in Two Dimensions)”为题在线发表于国际知名期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

电子-光子相互作用是物理学研究核心主题之一。当自由电子轰击光学结构或通过其附近时，其可以产生电磁辐射，该现象通常被称为自由电子辐射（或阴极发光）。自由电子相干辐射最著名的是切伦科夫辐射(Cherenkov radiation),该效应在高能粒子探测等领域有着十分重要的应用，曾于1958年获得诺贝尔物理学奖。作为切伦科夫辐射的拓展，当带电粒子在周期性结构表面飞过时，能产生史密斯-珀塞尔辐射(Smith-Purcell radiation)，其为利用电子产生和操控光提供了新的方案。

过去近70年，利用史密斯-珀塞尔辐射在三维空间产生光引起了广泛关注。近年来随着纳米光子学和二维材料的兴起，自由电子作为高效的光激发源又为该领域注入新的活力，受到物理学家、材料科学家以及工程师等多领域的关注。而二维史密斯-珀塞尔辐射作为片上光源产生的重要物理机制之一，其产生及调控成为一个亟待解决的关键问题。

图为自由电子激发周期纳米孔阵列产生二维史密斯-珀塞尔辐射示意图

研究团队通过自由电子与设计的金属纳米孔阵列之间的相互作用观测到二维史密斯-珀塞尔辐射，并进一步通过引入二维相控阵雷达效应，证明了二维史密斯-珀塞尔辐射方向的主动调控性。这一创新成果不仅加深了对自由电子和光相互作用的理解，也在构建利用电子产生和操控二维光学平台等方面具有重要意义。

本工作南开大学为第一完成单位，南开大学博士生孙治国为第一作者，南开大学蔡卫教授及许京军教授为共同通讯作者。相关工作得到了国家科技部重点研发计划项目、广东省基础与应用基础研究重大项目以及国家自然科学基金委等项目的资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.134.043802