清华大学电子工程系黄翊东教授团队刘仿副教授、肖龙博士生等研究人员发现，在人工双曲超材料中，无论速度多低的匀速运动电子都可以产生辐射，实现了无阈值的切伦科夫辐射，以及芯片上的自由电子光源。
80多年前的一天，一种奇异的现象引起了苏联科学院物理研究所的年轻研究员帕维尔.切伦科夫（Pavel Cherenkov）的注意：镭放射源发出的高速带电粒子在穿透折射率较高的透明液体或固体介质时，介质中会产生一种独特的淡蓝色光，仿佛这些粒子拖着淡蓝色的“尾巴”一般。当时的研究人员认为这是一种荧光，而切伦科夫则通过实验发现，这种淡蓝色光与通常的荧光或磷光不同，具有方向性明显、偏振强以及谱分布随介质变化不大等一系列特点，是一种全新的辐射。3年后的1937年，切伦科夫与伊利亚.M.弗兰克（Ilya M. Frank）、伊戈尔.Y.塔姆（Igor Y. Tamm）对这一现象进行了解释：这是当透明介质中穿行的高速带电粒子速度超过介质中的光速时所发出的一种辐射，如今被称为切伦科夫辐射。
这几乎颠覆了当时物理界关于物质速度极限和匀速带电粒子能否产生电磁波的认识：在20世纪初之前，人们认为在介质中运动的任何实物粒子的速度都不可能超过介质中的光速，并且匀速运动的带电粒子是不可能辐射电磁波的。的确，根据狭义相对论，具有静质量的物体，其运动速度不可能超过真空中的光速c，但光在介质中的传播速度小于光速c（例如，光在水中的传播速度约为0.75c），因此粒子可以通过核反应或者是粒子加速器被加速到超过介质中的光速。
切伦科夫辐射的发现具有重大意义。切伦科夫辐射是自由电子辐射的一种，理论上，该辐射可在任意波段产生激射，在基础物理、国防军事、生物医疗、信息科学等领域具有非常重要的应用价值，尤其是对自由电子激光器而言，切伦科夫辐射是实现自由电子激光光源的有效途径之一。1958年，切伦科夫与弗兰克、塔姆共同获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他们在这一研究领域做出的杰出贡献。
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至今日，切伦科夫辐射依然是粒子物理领域的重要研究手段。但是，一直困扰研究人员的一个问题是，要想产生切伦科夫辐射，带电粒子的速度（能量）必须超过某一阈值。由于一般媒质的介电常数较小，因此所需的电子速度（能量）极高。例如，要在水中产生切伦科夫辐射，电子速度须大于0.75c，电子能量超过300千电子伏，即便在此前已知产生切伦科夫辐射所需电子能量最小的金属/介质光栅中，电子能量仍高达20千电子伏。若利用切伦科夫辐射原理产生自由电子激光，那么与其他类型的自由电子激光器一样，需要庞大的加速器将电子加速到极高能量。尽管理论分析表明，光子晶体和超材料中有望观测到无阈值的切伦科夫辐射，但一直没有相关实验报道。
在国家973计划项目课题（课题编号：2013CBA01704）和国家自然科学基金项目（项目编号：61575104、61621064）的支持下，清华大学电子工程系黄翊东教授团队刘仿副教授、肖龙博士生等在研究人工双曲超材料中的切伦科夫辐射时发现，在双曲超材料中，无论匀速运动的电子的速度多低都可以产生辐射，也就是说，电子速度不再是限制切伦科夫辐射产生的必要条件，在双曲超材料中可以实现无阈值的切伦科夫辐射。这意味着可以实现芯片上的自由电子光源，未来有望出现新形式的自由电子光源和探测器。
当电磁波与其波长相当的物体作用时会产生衍射现象，电磁波的波动性将变得非常明显。人们采用多种手段将电磁波的波长压缩，希望突破其衍射极限，在光刻、成像等方面实现突破。在电子速度（能量）较低的情况下，电子周围的消逝电磁场具有极大的波矢，即极小的波长。不同于通过压缩波长的方式突破电磁波的衍射极限，若要在非常低的电子速度下产生切伦科夫辐射，需要将极小波长的电磁波消逝场辐射到自由空间中，转变为真空波长的电磁波，这正是切伦科夫辐射多年来难以降低速度（能量）阈值的原因所在。
面对这样的难题，研究团队研制了集成切伦科夫辐射芯片，观测到真空波长为500~900纳米的切伦科夫辐射，所需电子能量仅为250～1400电子伏，比之前报道的同类实验所需的几十万电子伏电子能量降低了2～3个数量级；并通过实验获得了200纳瓦的辐射光输出功率，与其他利用纳米结构获得的切伦科夫辐射相比，输出功率高了2个数量级以上。
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究团队研制的集成切伦科夫辐射芯片在突破产生该辐射的电子能量阈值的过程中发挥着核心作用。该芯片由平面电子发射源、双曲超材料和表面等离子激元周期狭缝3部分组成。首先，将电子发射源集成在双曲超材料表面，电子束从阴极发射出来后沿着双曲超材料上表面飞行。为了使电子在较低电压下从钼电极尖端飞出，研究团队利用聚焦离子束刻蚀（FIB）工艺确保阴极尖端曲率半径小于100纳米，阴极和栅极间距为百纳米量级。
然后，将自由电子周围的消逝场耦合到双曲超材料中形成切伦科夫传播场，并借助超材料下方周期狭缝的局域表面等离子激元模式将其耦合到自由空间中。多层膜结构中薄膜厚度越薄、表面越平整，越接近理想的双曲超材料。为此，研究团队利用磁控溅射方法交替溅射10纳米厚金膜和10纳米厚二氧化硅膜，使薄膜表面起伏为约1纳米，得到总厚度为200多纳米的金/二氧化硅多层膜。多层膜下方即是面积为250微米×20微米的金属周期纳米狭缝。与传统金属光栅相比，金属周期纳米狭缝宽度（60纳米左右）仅为周期的约1/10，利用局域表面等离子激元的模式提取双曲超材料中的电磁辐射。
研究团队将自由电子发射源集成在了双曲超材料的上表面，既能保证电子源发射出来的电子平行于双曲超材料飞行，与超材料有足够的作用长度（约200微米），又能精确控制电子束与超材料表面的距离（约40纳米），确保电子周围消逝场与双曲超材料充分地相互作用。这种做法不仅验证了双曲超材料消除切伦科夫辐射的电子速度（能量）阈值，同时还将平面电子发射源、双曲超材料、表面等离子激元耦合结构集成在同一芯片上，实现了一种基于切伦科夫辐射的片上集成自由电子光源。
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体来说，研究团队的发现摆脱了产生切伦科夫辐射需要电子能量阈值的限制，极大地突破了电子周围消逝场的衍射极限，实现了世界上首个集成在芯片上的自由电子光源，让切伦科夫80多年前的发现历久弥新，焕发出新的光彩。当电子速度不再是切伦科夫辐射的束缚，也就意味科学界将迎来新的可能，有一些我们已经预料到了，比如传统自由电子光源需要大型电子加速器的固有范式将被颠覆、未来在芯片上研究飞行电子与微纳结构的相互作用成为可能等；除此之外，还有更多我们无法预料的可能，正在前方等待。
刘仿：博士，清华大学电子工程系副教授。在表面等离激元（Surface plasmon polariton）以及片上自由电子光电子器件的研究方面取得多项创新性研究成果。发表SCI论文30余篇，SCI他引400余次。作为项目负责人承担国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目，作为清华方面负责人承担国家973项目课题，以骨干身份完成国家基金重点项目和863计划项目。
黄翊东：博士，清华大学电子工程系教授、系主任。清华大学“百人计划”引进人才，教育部长江学者特聘教授，“新世纪百千万人才工程”国家级人选。致力于纳结构光电子学领域的研究，她的研究小组在光子晶体、表面等离子体波导器件以及量子通信光源的研究中取得重要进展。现为中国电子教育学会高等教育分会理事，中国光学学会常务理事、基础光学专业委员会委员、微纳光学专业委员会委员，中国计量科学研究院计量科学咨询委员会委员，ACS Photonics杂志编辑顾问委员会委员。
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