突破传统认知：利用光学增益在正折射率平板中实现反向切伦科夫辐射的重大发现

《SCIENCE ADVANCES》：A gain route to reversed Cherenkov radiation

为解决反向切伦科夫辐射难以在正折射率均匀各向同性平板中出现的问题，研究人员开展了关于在正折射率各向同性平板中利用光学增益实现反向切伦科夫辐射的研究。结果发现特定条件下可实现反向切伦科夫辐射并抑制正向辐射，其强度和角展具有独特性质。该研究对相关应用发展意义重大。

　　在物理学的奇妙世界里，有一种特殊的光发射现象 —— 切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）。当带电粒子以超过周围介质中光的相速度运动时，就会发出这种高度定向的光，如同水下核反应堆发出的蓝色辉光，这一现象在现代物理学中十分常见 。切伦科夫辐射依据弗兰克 - 塔姆公式（Frank-Tamm formula），其发射角度（切伦科夫角，θ）与粒子速度、介质折射率紧密相关，这一特性使其在粒子探测器、光源、生物医学成像以及光动力疗法等诸多领域都有着重要应用。

然而，传统的切伦科夫辐射在正折射率材料中是沿粒子运动的正向发射的，这种正向发射在实际应用中存在诸多不便。例如，依赖测量切伦科夫辐射的探测器，必须应对导致辐射损伤的高能带电粒子，而这会限制粒子识别和计数的性能。为了实现更理想的辐射发射方向，人们将目光投向了反向切伦科夫辐射（reversed Cherenkov radiation）。以往研究认为，反向切伦科夫辐射只能在负折射率材料、各向异性材料（如双曲线材料）或光子晶体等特定材料中出现，因为这些材料能支持特定的光子本征模，使光子群速度与粒子速度有反平行分量。但对于正折射率各向同性材料，是否能出现反向切伦科夫辐射一直是个未解之谜。

为了探索这个问题，研究人员开展了深入研究。研究发现，通过利用光学增益，能够在正折射率的各向同性平板中实现有效的反向切伦科夫辐射，这一发现打破了长期以来的固有认知。

研究人员在研究过程中，采用了经典电动力学框架下的理论计算方法。基于 Ginzburg 和 Frank 的自由电子辐射理论，计算了自由电子在光学界面以及穿透平板时的辐射情况，推导出相关的辐射系数公式，以此分析反向和正向切伦科夫辐射的特性 。

在研究结果部分：

• 概念验证：通过设计实验模型，让高速电子垂直穿透具有光学增益的介质平板。结果发现，在特定条件下，出现了反向辐射峰，对应反向切伦科夫辐射信号，且正向辐射强度比反向辐射弱两个数量级，甚至没有正向辐射峰，实现了有效反向切伦科夫辐射。这一现象与负折射率平板产生的反向切伦科夫辐射不同，负折射率平板在产生反向辐射的同时会出现正向辐射。
• 理论分析：进一步探究正向切伦科夫辐射消失的原因，研究人员通过理论推导发现，这与增益平板中正向自由电子辐射的切伦科夫极点消失有关。在增益平板中，当满足一定条件时，反向辐射系数的切伦科夫极点会出现在复k⊥?平面的第四象限，导致反向辐射存在峰值；而正向辐射系数不存在切伦科夫极点，所以没有辐射峰值。
• 强度特性：研究还发现，反向切伦科夫辐射的强度对平板厚度具有不敏感性。当平板厚度d足够大（d/λ0??1）时，反向和正向辐射强度基本稳定，与平板厚度关系不大；而负折射率平板的切伦科夫辐射强度会随平板厚度线性增加。此外，通过调整增益平板厚度，可以在抑制正向切伦科夫辐射的同时，有效增强反向切伦科夫辐射强度，减少放大自发辐射的影响。
• 方向性特性：反向切伦科夫辐射的角展也有独特之处。即使增益平板厚度趋于无穷大，反向切伦科夫辐射仍有非零角展，且角展大小与光学增益有关。随着光学增益增加，相关切伦科夫极点在复k⊥?平面上远离实轴，导致反向切伦科夫辐射的角展增大；而负折射率平板的角展在厚度增加时趋于减小至零。

研究结论和讨论部分表明，该研究揭示了在正折射率增益平板中创造反向切伦科夫辐射的可能性。这种反向切伦科夫辐射在特定情况下能完全抑制正向辐射，并且具有非零角展和对平板厚度不敏感的特性。这些特性对于开发先进的基于切伦科夫辐射的应用至关重要，如增强集成光源强度、提高小型化粒子探测器灵敏度以及潜在的生物医学应用等。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为粒子与物质相互作用领域开辟了新的研究方向，有望激发更多关于其他类型自由电子辐射（如 Smith-Purcell 辐射、过渡辐射和轫致辐射）在光学增益条件下的研究，推动相关领域的进一步发展。